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로지스틱 방정식

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Active Calculus · 7.6절 · 7번대학 수준우리말 번역

어떤 어종의 개체수가 다음 로지스틱 방정식으로 조절된다고 하자.

dPdt=0.1P(10−P) ,\frac{dP}{dt} = 0.1P(10 - P)\,, 여기서 PP 는 물고기 수를 천 마리 단위로, tt 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?

영어 원문 보기

Suppose that the population of a species of fish is controlled by the logistic equation

dPdt=0.1P(10−P) ,\frac{dP}{dt} = 0.1P(10 - P)\,, where PP is measured in thousands of fish and tt is measured in years.

(a) What is the carrying capacity of this population? (b) Suppose that a long time has passed and that the fish population is stable at the carrying capacity. At this time, humans begin harvesting 20% of the fish every year. Modify the differential equation by adding a term to incorporate the harvesting of fish. (c) What is the new carrying capacity? (d) What will the fish population be one year after the harvesting begins? (e) How long will it take for the population to be within 10% of the carrying capacity?

정답·풀이 보기

(a) 주어진 로지스틱 방정식의 꼴에서 환경수용력이 10000마리임을 알 수 있다. (b) 이 상황에서 초기 조건은 P(0)=10P(0) = 10 이고, 매년 개체수의 2020%를 제거하므로 미분방정식을 정의하는 변화율에서 0.2P0.2P 를 빼면 다음을 얻는다. dPdt=0.1P(10−P)−0.2P .\frac{dP}{dt} = 0.1P(10 - P) - 0.2P\,. (c) (b)의 미분방정식을 전개하여 다시 쓰면 다음과 같다. dPdt=P−0.1P2−0.2P=0.8P−0.1P2=0.1P(8−P) .\frac{dP}{dt} = P - 0.1P^2 - 0.2P = 0.8P - 0.1P^2 = 0.1P(8 - P)\,. 이것 역시 로지스틱 방정식이며, 환경수용력은 80008000 마리이다. (d) 이 로지스틱 방정식을 일반적인 방법으로 풀 수 있다(초기 조건 P(0)=10P(0) = 10 에 유의하고, 환경수용력이 88 임을 이용한다). P(t)=88−1010e−0.1⋅8t+1=8−0.2e−0.8t+1P(t) = \frac{8}{\frac{8-10}{10}e^{-0.1 \cdot 8 t}+1} = \frac{8}{-0.2e^{-0.8t}+1} 따라서 1년 후 물고기 개체수는 다음과 같다. P(1)≈8.7899P(1) \approx 8.7899 천 마리이다. (e) 환경수용력의 10% 이내가 되려면 0.9(8)≤P(t)≤1.1(8)0.9(8) \le P(t) \le 1.1(8) 이어야 한다. 초기 조건이 환경수용력보다 크므로 P(t)=1.1(8)=8.8P(t) = 1.1(8) = 8.8 이 되는 때를 구하면 된다. 따라서 다음 방정식을 푼다. 8.8=8−0.2e−0.8t+1 ,8.8 = \frac{8}{-0.2e^{-0.8t}+1}\,, 이로부터 −0.2e−0.8t+1=8/8.8=10/11-0.2e^{-0.8t}+1 = 8/8.8 = 10/11 이다. 따라서 e−0.8t=5/11e^{-0.8t} = 5/11 이므로 t=−1.25ln⁡(5/11)≈0.986t = -1.25 \ln(5/11) \approx 0.986 년이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) From the form of the given logistic equation, we can see the carrying capacity is 10000 fish. (b) In this situation, the initial condition is P(0)=10P(0) = 10, and by removing 2020% of the population per year, we subtract 0.2P0.2P from the rate that defines the differential equation, thus finding dPdt=0.1P(10−P)−0.2P .\frac{dP}{dt} = 0.1P(10 - P) - 0.2P\,. (c) Expanding and rewriting the differential equation in (b), we see that dPdt=P−0.1P2−0.2P=0.8P−0.1P2=0.1P(8−P) .\frac{dP}{dt} = P - 0.1P^2 - 0.2P = 0.8P - 0.1P^2 = 0.1P(8 - P)\,. This, too, is a logistic equation, with carrying capacity 80008000 fish. (d) We can solve this logistic equation in the usual way (keeping in mind the initial condition P(0)=10P(0) = 10, and noting that the carrying capacity is 88): P(t)=88−1010e−0.1⋅8t+1=8−0.2e−0.8t+1P(t) = \frac{8}{\frac{8-10}{10}e^{-0.1 \cdot 8 t}+1} = \frac{8}{-0.2e^{-0.8t}+1} After one year, the population of fish will thus be P(1)≈8.7899P(1) \approx 8.7899 thousand fish. (e) To be within 10% of the carrying capacity, we need 0.9(8)≤P(t)≤1.1(8)0.9(8) \le P(t) \le 1.1(8). Since the initial condition is larger than the carrying capacity, we want to know when P(t)=1.1(8)=8.8P(t) = 1.1(8) = 8.8. Thus we solve the equation 8.8=8−0.2e−0.8t+1 ,8.8 = \frac{8}{-0.2e^{-0.8t}+1}\,, which implies −0.2e−0.8t+1=8/8.8=10/11-0.2e^{-0.8t}+1 = 8/8.8 = 10/11. Thus, e−0.8t=5/11e^{-0.8t} = 5/11, so t=−1.25ln⁡(5/11)≈0.986t = -1.25 \ln(5/11) \approx 0.986 years.

한 번 더 — 비슷한 문제OpenStax 2권 · 4.4절 · 36번우리말 번역

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