문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 미분방정식

지수적 증가와 감소

먼저 혼자 풀어 보고, 풀이로 확인한 다음, 아래 「한 번 더」 문제로 이어서 연습하세요.

CLP-1 · 3.3절 · 11번대학 수준우리말 번역

광석 시료에 우라늄-232가 7.2±0.3 μ7.2 \pm 0.3~\mug 들어 있다고 한다. 우라늄-232의 반감기는 68.8년에서 70년 사이이다. 10년 후 이 시료에 붕괴하지 않고 남아 있는 우라늄-232의 양은 얼마인지 구하세요.

영어 원문 보기

A sample of ore is found to contain 7.2±0.3 μ7.2 \pm 0.3~\mug of Uranium-232, the half-life of which is between 68.8 and 70 years. How much Uranium-232 will remain undecayed in the sample in 10 years?

정답·풀이 보기

시간 tt 에서 광석 시료에 들어 있는 우라늄-232의 양은 다음과 같다.

Q(t)=Q(0)e−kt단, 6.9≤Q(0)≤7.5 이다. Q(0) 도 정확히 알지 못하고 반감기도 정확히 알지 못하므로 Q(10) 도 정확히 알 수 없으며, 두 수 사이에 있다고만 말할 수 있다. 우리의 전략은 문제에 주어진 정보로부터 Q(10) 이 가질 수 있는 가장 큰 값과 가장 작은 값을 구하는 것이다.10년 후 시료에 우라늄-232가 가장 많이 남으려면, 처음 양이 가장 많고 반감기가 가장 길어야 한다(가장 느리게 붕괴하는 경우이므로). 따라서 Q(0)=7.5, Q(70)=12(7.5) 로 놓는다.Q(t)=7.5e−kt12(7.5)=Q(70)=7.5e−k(70)12=(e−k)702−170=e−k따라서 이 경우,Q(t)=7.5⋅2−t7010년 후,Q(10)=7.5⋅2−1070≈6.79따라서 10년 후 시료에는 많아야 6.8 μg 이 들어 있다.이제 10년 후 남을 수 있는 우라늄-232의 가장 적은 양을 생각해 보자. 처음 양을 가능한 한 적게 잡아 Q(0)=6.9 로 하고, 시료가 빠르게 붕괴해야 하므로 반감기를 68.8년으로 한다.Q(t)=6.9e−kt126.9=Q(68.8)=6.9e−k(68.8)12=(e−k)68.82−168.8=e−k이 경우,Q(t)=6.9⋅2−t68.810년 후,Q(10)=6.9⋅2−1068.8≈6.24따라서 10년 후 시료에는 적어도 6.2 μg 이 들어 있다.\begin{aligned} Q(t)&=Q(0)e^{-kt} \\ \text{단, $6.9 \leq Q(0) \leq 7.5$ 이다. $Q(0)$ 도 정확히 알지 못하고 반감기도 정확히 알지 못하므로 $Q(10)$ 도 정확히 알 수 없으며, 두 수 사이에 있다고만 말할 수 있다. 우리의 전략은 문제에 주어진 정보로부터 $Q(10)$ 이 가질 수 있는 가장 큰 값과 가장 작은 값을 구하는 것이다.} \\ \\ \text{10년 후 시료에 우라늄-232가 가장 많이 남으려면, 처음 양이 가장 많고 반감기가 가장 길어야 한다(가장 느리게 붕괴하는 경우이므로). 따라서 $Q(0)=7.5$, $Q(70)=\frac{1}{2}(7.5)$ 로 놓는다.} \\ Q(t)&=7.5e^{-kt}\\ \frac{1}{2}(7.5)=Q(70)&=7.5e^{-k(70)}\\ \frac{1}{2}&=\left(e^{-k}\right)^{70}\\ 2^{-\tfrac{1}{70}}&=e^{-k} \\ \text{따라서 이 경우,} \\ Q(t)&=7.5\cdot 2^{-\tfrac{t}{70}} \\ \text{10년 후,} \\ Q(10)&=7.5\cdot 2^{-\tfrac{10}{70}}\approx 6.79 \\ \text{따라서 10년 후 시료에는 \textit{많아야} 6.8 $\mu$g 이 들어 있다.} \\ \\ \text{이제 10년 후 남을 수 있는 우라늄-232의 가장 적은 양을 생각해 보자. 처음 양을 가능한 한 적게 잡아 $Q(0)=6.9$ 로 하고, 시료가 빠르게 붕괴해야 하므로 반감기를 68.8년으로 한다.} \\ Q(t)&=6.9e^{-kt}\\ \frac{1}{2}6.9=Q(68.8)&=6.9e^{-k(68.8)}\\ \frac{1}{2}&=\left(e^{-k}\right)^{68.8}\\ 2^{-\tfrac{1}{68.8}}&=e^{-k} \\ \text{이 경우,} \\ Q(t)&=6.9\cdot 2^{-\tfrac{t}{68.8}} \\ \text{10년 후,} \\ Q(10)&=6.9\cdot 2^{-\tfrac{10}{68.8}}\approx 6.24 \\ \text{따라서 10년 후 시료에는 \textit{적어도} 6.2 $\mu$g 이 들어 있다.} \\ \end{aligned}

10년 후 시료에 들어 있는 우라늄-232의 양은 6.2에서 6.8 μ\mug 사이이다.

원본 교재 풀이(영어)

The amount of Uranium-232 in the sample of ore at time tt will be

Q(t)=Q(0)e−ktwhere 6.9≤Q(0)≤7.5. We don’t exactly know Q(0), and we don’t exactly know the half-life, so we also won’t exactly know Q(10): we can only say that is it between two numbers. Our strategy is to find the highest and lowest possible values of Q(10), given the information in the problem.In order for the most possible Uranium-232 to be in the sample after 10 years, we should start with the most and have the longest half-life (since this represents the slowest decay). So, we take Q(0)=7.5 and Q(70)=12(7.5).Q(t)=7.5e−kt12(7.5)=Q(70)=7.5e−k(70)12=(e−k)702−170=e−kSo, in this secenario,Q(t)=7.5⋅2−t70After ten years,Q(10)=7.5⋅2−1070≈6.79So after ten years, the sample contains at most 6.8 μg.Now, let’s think about the least possible amount of Uranium-232 that could be left after 10 years. We should start with as little as possible, so take Q(0)=6.9, and the sample should decay quickly, so take the half-life to be 68.8 years.Q(t)=6.9e−kt126.9=Q(68.8)=6.9e−k(68.8)12=(e−k)68.82−168.8=e−kIn this scenario,Q(t)=6.9⋅2−t68.8After ten years,Q(10)=6.9⋅2−1068.8≈6.24So after ten years, the sample contains at least 6.2 μg.\begin{aligned} Q(t)&=Q(0)e^{-kt} \\ \text{where $6.9 \leq Q(0) \leq 7.5$. We don't exactly know $Q(0)$, and we don't exactly know the half-life, so we also won't exactly know $Q(10)$: we can only say that is it between two numbers. Our strategy is to find the highest and lowest possible values of $Q(10)$, given the information in the problem.} \\ \\ \text{In order for the most possible Uranium-232 to be in the sample after 10 years, we should start with the most and have the longest half-life (since this represents the slowest decay). So, we take $Q(0)=7.5$ and $Q(70)=\frac{1}{2}(7.5)$.} \\ Q(t)&=7.5e^{-kt}\\ \frac{1}{2}(7.5)=Q(70)&=7.5e^{-k(70)}\\ \frac{1}{2}&=\left(e^{-k}\right)^{70}\\ 2^{-\tfrac{1}{70}}&=e^{-k} \\ \text{So, in this secenario,} \\ Q(t)&=7.5\cdot 2^{-\tfrac{t}{70}} \\ \text{After ten years,} \\ Q(10)&=7.5\cdot 2^{-\tfrac{10}{70}}\approx 6.79 \\ \text{So after ten years, the sample contains \textit{at most} 6.8 $\mu$g.} \\ \\ \text{Now, let's think about the least possible amount of Uranium-232 that could be left after 10 years. We should start with as little as possible, so take $Q(0)=6.9$, and the sample should decay quickly, so take the half-life to be 68.8 years.} \\ Q(t)&=6.9e^{-kt}\\ \frac{1}{2}6.9=Q(68.8)&=6.9e^{-k(68.8)}\\ \frac{1}{2}&=\left(e^{-k}\right)^{68.8}\\ 2^{-\tfrac{1}{68.8}}&=e^{-k} \\ \text{In this scenario,} \\ Q(t)&=6.9\cdot 2^{-\tfrac{t}{68.8}} \\ \text{After ten years,} \\ Q(10)&=6.9\cdot 2^{-\tfrac{10}{68.8}}\approx 6.24 \\ \text{So after ten years, the sample contains \textit{at least} 6.2 $\mu$g.} \\ \end{aligned}

After ten years, the sample contains between 6.2 and 6.8 μ\mug of Uranium-232.

한 번 더 — 비슷한 문제CLP-1 · 3.3절 · 8번우리말 번역

아이스티 한 잔의 온도가 처음에 5∘5^\circ이다. 공기의 온도가 30∘30^\circ인 방에서 5분이 지나자 차의 온도가 10∘10^\circ로 올랐다.

(a) 뉴턴의 냉각 법칙을 이용하여 시각 tt에서의 온도 T(t)T(t)에 대한 미분방정식을 구하세요. (b) 차의 온도가 20∘20^\circ에 도달하는 때를 구하세요.

다 풀었으면 정답 확인

(a) 뉴턴의 냉각 법칙에 의해 온도의 변화율은 T(t)T(t)와 주변 온도의 차에 비례하며, 이 문제에서 주변 온도는 30∘30^\circ이다. 따라서 dTdt=k[T(t)−30]\frac{\mathrm{d}T}{\mathrm{d}t}=k[T(t)-30] 이다. 여기서 kk는 비례상수이다. (a)를 풀려면 kk만 구하면 된다.

뉴턴의 냉각 법칙에 따르면 시각 tt에서의 온도는 다음과 같다.

T(t)=[T(0)−A]ekt+A=[5−30]ekt+30=−25ekt+30T(5)=10이 주어져 있다:10=−25e5k+3025e5k=20e5k=455k=log⁡(4/5)k=15log⁡(4/5)따라서 미분방정식은 다음과 같다dTdt(t)=15log⁡(4/5)[T(t)−30]\begin{aligned} T(t)&=[T(0)-A]e^{kt}+A\\ &=[5-30]e^{kt}+30\\ &=-25e^{kt}+30 \\ \text{$T(5)=10$이 주어져 있다:} \\ 10&=-25e^{5k}+30\\ 25e^{5k}&=20\\ e^{5k}&=\frac{4}{5}\\ 5k&=\log(4/5)\\ k&=\tfrac{1}{5}\log(4/5) \\ \text{따라서 미분방정식은 다음과 같다} \\ \frac{\mathrm{d}T}{\mathrm{d}t}(t)&=\frac{1}{5}\log(4/5)[T(t)-30] \end{aligned} (b) T(t)=30−25ektT(t)=30-25e^{kt}이므로 차의 온도가 20∘20^\circ가 되는 때는 다음과 같다.

30−25ekt=20ekt=1025kt=log⁡(1025)t=1klog⁡25=5log⁡(2/5)log⁡(4/5)≈20.53 min\begin{aligned} 30-25 e^{kt}&=20\\ e^{kt}&=\frac{10}{25}\\ kt&=\log\left(\frac{10}{25}\right)\\ t&=\frac{1}{k}\log\frac{2}{5}\\ &=\frac{5\log(2/5)}{\log(4/5)}\\ &\approx{20.53 ~\mathrm{ min}} \end{aligned}

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