[剑桥] 在一项化学反应中,化合物 XX 由化合物 YY 生成。在反应开始后 tt 秒时,存在的 XX 和 YY 的质量(以克为单位)分别为 xx 和 yy。在整个反应过程中,两种物质的质量之和始终等于 100 克。在任何时刻,XX 的生成速率与该时刻 YY 的质量成正比。当 t=0t = 0 时,x=5x = 5 且 dxdt=1.9\frac{\text{d}x}{\text{d}t} = 1.9。

  1. (i)

    证明 xx 满足微分方程
    dxdt=0.02(100−x).\frac{\text{d}x}{\text{d}t} = 0.02(100 - x).

  2. (ii)

    解此微分方程,得到用 tt 表示 xx 的表达式。

  3. (iii)

    说明当 tt 变得非常大时,xx 的值会发生什么变化。

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完整解法

Q1(i)

1. Translate the problem statement into a differential equation with an unknown constant of proportionality.

We are given that the sum of the masses is 100100, so x+y=100  ⟹  y=100−xx + y = 100 \implies y = 100 - x.

The rate of formation of XX is proportional to the mass of YY (yy), which gives:
dxdt=ky\frac{\text{d}x}{\text{d}t} = ky

Substituting y=100−xy = 100 - x into the equation yields:
dxdt=k(100−x)\frac{\text{d}x}{\text{d}t} = k(100 - x)

2. Substitute the initial conditions to find the constant $k$ and deduce the final differential equation.

Substitute the initial conditions (t=0t = 0, x=5x = 5, dxdt=1.9\frac{\text{d}x}{\text{d}t} = 1.9) into the equation:
1.9=k(100−5)1.9 = k(100 - 5)
1.9=95k1.9 = 95k
k=1.995=0.02k = \frac{1.9}{95} = 0.02

Therefore, we have shown that:
dxdt=0.02(100−x)\frac{\text{d}x}{\text{d}t} = 0.02(100 - x)

答案

\text{Shown.}

Q1(ii)

1. Separate the variables $x$ and $t$.

∫1100−x dx=∫0.02 dt\int \frac{1}{100 - x} \, \text{d}x = \int 0.02 \, \text{d}t

2. Integrate both sides with respect to their variables.

−ln⁡(100−x)=0.02t+C-\ln(100 - x) = 0.02t + C

3. Use the initial conditions to find the constant of integration $C$.

Substitute t=0t = 0 and x=5x = 5:
−ln⁡(100−5)=0.02(0)+C-\ln(100 - 5) = 0.02(0) + C
C=−ln⁡95C = -\ln 95

4. Rearrange the equation to express $x$ explicitly in terms of $t$.

Substitute CC back into the equation:
−ln⁡(100−x)=0.02t−ln⁡95-\ln(100 - x) = 0.02t - \ln 95
ln⁡(100−x)=ln⁡95−0.02t\ln(100 - x) = \ln 95 - 0.02t
100−x=eln⁡95−0.02t100 - x = e^{\ln 95 - 0.02t}
100−x=eln⁡95⋅e−0.02t100 - x = e^{\ln 95} \cdot e^{-0.02t}
100−x=95e−0.02t100 - x = 95e^{-0.02t}
x=100−95e−0.02tx = 100 - 95e^{-0.02t}

答案

x=100−95e−0.02tx = 100 - 95e^{-0.02t}

Q1(iii)

1. Determine the limit of $x$ as $t \to \infty$ using the solution to the differential equation.

From part (ii), solving dxdt=0.02(100−x)\frac{\text{d}x}{\text{d}t} = 0.02(100 - x) gives −ln⁡(100−x)=0.02t+c-\ln(100-x) = 0.02t + c. Applying the initial conditions t=0,x=5t=0, x=5 yields x=100−95e−0.02tx = 100 - 95\text{e}^{-0.02t}.

As tt becomes very large (t→∞t \to \infty), the exponential term e−0.02t→0\text{e}^{-0.02t} \to 0.
Therefore, x→100−95(0)=100x \to 100 - 95(0) = 100.

答案

xx approaches 100100

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