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,
[ 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 .
(oletuksessa b > 0), niin
y'(t) = ay(t) - by(t)2 | = | b( y(t) - y(t)2) |
| = | by(t)( - y(t)) > 0, |
sillä
> 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) =
]0,
[.