变量 、 和 通过以下微分方程联系在一起:
以及
验证 是 $$
e^{2x}\dfrac{dw}{dx}=w^{2}\,\text{ where A is an arbitrary constant. } 的通解。
由此求出用 表示的 。
一个水槽最初含有溶解在 100 升水中的 50 克盐。每升含有 2 克盐的盐水以每分钟 5 升的速率流入水槽。溶液保持充分混合,并以每分钟 5 升的速率流出水槽。
已知在时间 分钟时,水槽中的盐量为 ,证明:
由此求出水槽中盐的浓度达到每升 1 克的时间(以分钟为单位)。
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完整解法
1(a)(i)
1. Separate the variables $w$ and $x$, and integrate both sides.
2. Rearrange the integrated equation to make $w$ the subject and deduce the form of the general solution.
Multiply the equation by :
Since is an arbitrary constant of integration, let , which is also an arbitrary constant.
1(a)(ii)
1. Substitute the verified expression for $w$ into the differential equation for $y$ and set up the integral.
2. Multiply the numerator and denominator of the integrand by $e^{2x}$ to simplify the expression into a recognizable derivative form.
3. Integrate using the standard form $\int \frac{f'(x)}{f(x)} \, dx = \ln|f(x)| + c$.
(where is an arbitrary constant)
1(b)[0]
1. Separate variables and integrate the differential equation.
2. Express $S$ explicitly in terms of $t$.
(where )
3. Use the initial condition to find the constant $A$.
Initially, the tank contains grams of salt. At , :
So the particular solution is:
4. Determine the target amount of salt $S$ for the given concentration.
Since the inflow and outflow rates are both , the volume of the mixture remains constant at .
For a target concentration of :
5. Substitute the target $S$ to form an equation in $t$.
6. Solve the exponential equation for $t$.
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