Bakteeripopulaatio

Kevään pitkän matematiikan ylioppilastehtävä vuodelta 1996

Bakteeripopulaation määrä y(t) hetkellä t > 0 noudattaa differentiaaliyhtälöä

y'(t) = ay(t) - by(t)2,

missä a > b > 0. Oletetaan, että y(t)  (- ]0, a
b[ jokaisella t > 0. Osoita yhtälöä ratkaisematta, että y on aidosti kasvava. Jos populaation kasvunopeus y'(t) on suurimmillaan hetkellä t0 > 0, niin mikä on populaation määrä y(t0) hetkellä t0?


Ratkaisu

Koska a = b . a
b (oletuksessa b > 0), niin

y'(t) = ay(t) - by(t)2=b(a
by(t) - y(t)2)
=by(t)(a
b - y(t)) > 0,

sillä a
b > y(t) > 0. Täten y on aidosti kasvava.

Jos y'(t0) on suurin kasvunopeus, niin y''(t0) = 0. Tästä saadaan

ay'(t0) - 2by(t0)y'(t0)=0
y'(t0)(a - 2by(t0))=0 ,

joten y'(t0) = 0 tai a - 2by(t0) = 0. Näistä edellinen yhtälö ei tuota hyväksyttävää ratkaisua ja jälkimmäinen yhtälö antaa ratkaisuksi y(t0) = -a
2b  (- ]0, a
b[.

Piilota ratkaisu