는 페트리 접시 안의 군집에 사는 박테리아의 수를 나타낸다고 하자. 여기서 의 단위는 천 마리이고 의 단위는 일이다. 어느 날 측정했더니 박테리아가 6,000마리였고 개체당 증가율은 3이었다. 며칠 뒤에 측정했더니 박테리아가 9,000마리였고 개체당 증가율은 2였다.
(a) 개체당 증가율 가 의 일차함수라고 가정하세요. 측정값을 이용하여 이 함수를 구하고, 를 나타내는 로지스틱 방정식을 쓰세요. (b) 이 박테리아의 환경수용력은 얼마인지 구하세요. (c) 박테리아의 수가 가장 빠르게 증가하는 때의 개체 수는 얼마인지 구하세요. (d) 처음에 박테리아가 1,000마리였다면, 환경수용력의 80%에 이르는 데 얼마나 걸리는지 구하세요.
영어 원문 보기
Suppose that measures the number of bacteria living in a colony in a Petri dish, where is measured in thousands and is measured in days. One day, you measure that there are 6,000 bacteria and the per capita growth rate is 3. A few days later, you measure that there are 9,000 bacteria and the per capita growth rate is 2.
(a) Assume that the per capita growth rate is a linear function of . Use the measurements to find this function and write a logistic equation to describe . (b) What is the carrying capacity for the bacteria? (c) At what population is the number of bacteria increasing most rapidly? (d) If there are initially 1,000 bacteria, how long will it take to reach 80% of the carrying capacity?
정답·풀이 보기
(a) 를 에 대한 함수로 나타낸 개체당 증가율이라 하자. 문제에 주어진 자료에 의해 이 일차함수의 그래프는 두 점 과 를 지난다. 따라서 이 직선의 방정식은 이므로 이다. 로지스틱 방정식은 시각 의 개체 수와 그 시각의 개체당 증가율을 곱하여 얻으므로 를 얻는다. (b) 로지스틱 방정식의 꼴에서 이 박테리아의 환경수용력은 이며, 이는 개체 수의 안정 평형점이다. (c) 박테리아는 가 최대일 때 가장 빠르게 증가한다. 은 의 이차함수이므로, 는 위로 볼록한 이 포물선의 꼭짓점에서 최대가 된다. 꼭짓점은 두 영점 과 의 한가운데에 있다. 따라서 일 때 개체 수가 가장 빠르게 증가한다. 이때의 정확한 의 값을 구하려면 이 문제의 다음 부분과 같은 초기 조건을 알아야 한다. (d) 을 이용하여 로지스틱 방정식의 초깃값 문제 를 푼다. , , 이므로 로지스틱 방정식의 해의 표준형에서 이다. 박테리아가 환경수용력의 80%에 이르는 데 걸리는 시간을 구하기 위해 방정식 을 푼다. 이 방정식에서 이므로 이고, 따라서 이다. 그러므로 일이다.
원본 교재 풀이(영어)
(a) Let be the per capita growth rate as a function of . Using the given data in the problem statement, we know that this linear function passes through the points and . The equation of this line is thus so . Since the logistic equation comes from taking the product of the population at time with its per capita growth rate at that time, we find that (b) From the form of the logistic equation, we see that the carrying capacity for the bacteria is , which is a stable equilibrium for the population. (c) The bacteria is increasing most rapidly when is greatest. Since is a quadratic function of , is maximized at the vertex of this concave down parabola, which occurs halfway between its zeros: and . Thus, when , the population is growing fastest. To find the exact -value when this occurs, we'd need to know an initial condition like in the next part of the problem. (d) Using , we solve the logistic equation IVP with Using , , and , we know from the standard form of the solution to the logistic equation that To find how long it takes the bacteria to reach 80% of the carrying capacity, we solve the equation That equation implies that so and thus . It follows that days.
한 번 더 — 비슷한 문제Active Calculus · 7.6절 · 7번우리말 번역
어떤 어종의 개체수가 다음 로지스틱 방정식으로 조절된다고 하자.
여기서 는 물고기 수를 천 마리 단위로, 는 시간을 연 단위로 나타낸 것이다.
(a) 이 개체군의 환경수용력은 얼마입니까? (b) 오랜 시간이 지나 물고기 개체수가 환경수용력에서 안정되어 있다고 하자. 이때 사람들이 매년 물고기의 20%를 잡기 시작한다. 물고기 포획을 반영하는 항을 더하여 미분방정식을 수정하세요. (c) 새로운 환경수용력은 얼마입니까? (d) 포획을 시작하고 1년 후 물고기 개체수는 얼마가 됩니까? (e) 개체수가 환경수용력의 10% 이내가 되기까지 얼마나 걸립니까?
다 풀었으면 정답 확인
(a) 주어진 로지스틱 방정식의 꼴에서 환경수용력이 10000마리임을 알 수 있다. (b) 이 상황에서 초기 조건은 이고, 매년 개체수의 %를 제거하므로 미분방정식을 정의하는 변화율에서 를 빼면 다음을 얻는다. (c) (b)의 미분방정식을 전개하여 다시 쓰면 다음과 같다. 이것 역시 로지스틱 방정식이며, 환경수용력은 마리이다. (d) 이 로지스틱 방정식을 일반적인 방법으로 풀 수 있다(초기 조건 에 유의하고, 환경수용력이 임을 이용한다). 따라서 1년 후 물고기 개체수는 다음과 같다. 천 마리이다. (e) 환경수용력의 10% 이내가 되려면 이어야 한다. 초기 조건이 환경수용력보다 크므로 이 되는 때를 구하면 된다. 따라서 다음 방정식을 푼다. 이로부터 이다. 따라서 이므로 년이다.