变量 ww、xx 和 yy 通过以下微分方程联系在一起: e2xfracdwdx=w2e^{2x}\\frac{dw}{dx}=w^{2} 以及 fracdydx=w .\\frac{dy}{dx}=w\,. 验证 w=dfrac2e−2x+Aw=\\dfrac{2}{e^{-2x}+A} 是 $$
e^{2x}\dfrac{dw}{dx}=w^{2}\,\text{ where A is an arbitrary constant. } 的通解。
由此求出用 xx 表示的 yy。 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 tt 分钟时,水槽中的盐量为 SS,证明:
dfracdSdt=dfrac200−S20 .\\dfrac{dS}{dt}=\\dfrac{200-S}{20}\,.
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.

e2xdwdx=w2e^{2x} \frac{dw}{dx} = w^2
1w2 dw=e−2x dx\frac{1}{w^2} \,dw = e^{-2x} \,dx
∫w−2 dw=∫e−2x dx\int w^{-2} \,dw = \int e^{-2x} \,dx
−1w=−12e−2x+C-\frac{1}{w} = -\frac{1}{2}e^{-2x} + C

2. Rearrange the integrated equation to make $w$ the subject and deduce the form of the general solution.

Multiply the equation by −2-2:
2w=e−2x−2C\frac{2}{w} = e^{-2x} - 2C
w=2e−2x−2Cw = \frac{2}{e^{-2x} - 2C}
Since CC is an arbitrary constant of integration, let A=−2CA = -2C, which is also an arbitrary constant.
w=2e−2x+A(Verified)w = \frac{2}{e^{-2x} + A} \quad \text{(Verified)}

答案

w=2e−2x+A(Verified)w = \frac{2}{e^{-2x} + A} \quad \text{(Verified)}

1(a)(ii)

1. Substitute the verified expression for $w$ into the differential equation for $y$ and set up the integral.

dydx=w=2e−2x+A\frac{dy}{dx} = w = \frac{2}{e^{-2x}+A}
y=∫2e−2x+A dxy = \int \frac{2}{e^{-2x}+A} \, dx

2. Multiply the numerator and denominator of the integrand by $e^{2x}$ to simplify the expression into a recognizable derivative form.

y=∫2e2xe2x(e−2x+A) dxy = \int \frac{2e^{2x}}{e^{2x}(e^{-2x}+A)} \, dx
y=∫2e2x1+Ae2x dxy = \int \frac{2e^{2x}}{1+Ae^{2x}} \, dx

3. Integrate using the standard form $\int \frac{f'(x)}{f(x)} \, dx = \ln|f(x)| + c$.

y=1A∫2Ae2x1+Ae2x dxy = \frac{1}{A} \int \frac{2Ae^{2x}}{1+Ae^{2x}} \, dx
y=1Aln⁡∣1+Ae2x∣+Cy = \frac{1}{A} \ln|1+Ae^{2x}| + C
(where CC is an arbitrary constant)

答案

y=1Aln⁡∣1+Ae2x∣+Cy = \frac{1}{A} \ln|1+Ae^{2x}| + C

1(b)[0]

1. Separate variables and integrate the differential equation.

dSdt=200−S20\frac{dS}{dt} = \frac{200 - S}{20}
∫1200−S dS=∫120 dt\int \frac{1}{200 - S} \, dS = \int \frac{1}{20} \, dt
−ln⁡∣200−S∣=120t+C-\ln|200 - S| = \frac{1}{20}t + C

2. Express $S$ explicitly in terms of $t$.

ln⁡∣200−S∣=−120t−C\ln|200 - S| = -\frac{1}{20}t - C
200−S=Ae−120t200 - S = A e^{-\frac{1}{20}t}
S=200−Ae−120tS = 200 - A e^{-\frac{1}{20}t}
(where A=±e−CA = \pm e^{-C})

3. Use the initial condition to find the constant $A$.

Initially, the tank contains 5050 grams of salt. At t=0t = 0, S=50S = 50:
50=200−Ae050 = 200 - A e^0
A=150A = 150
So the particular solution is:
S=200−150e−120tS = 200 - 150 e^{-\frac{1}{20}t}

4. Determine the target amount of salt $S$ for the given concentration.

Since the inflow and outflow rates are both 5 litres/min5 \text{ litres/min}, the volume of the mixture remains constant at 100 litres100 \text{ litres}.
For a target concentration of 1 g/litre1 \text{ g/litre}:
Target S=1 g/litre×100 litres=100 g\text{Target } S = 1 \text{ g/litre} \times 100 \text{ litres} = 100 \text{ g}

5. Substitute the target $S$ to form an equation in $t$.

100=200−150e−120t100 = 200 - 150 e^{-\frac{1}{20}t}
150e−120t=100150 e^{-\frac{1}{20}t} = 100
e−120t=23e^{-\frac{1}{20}t} = \frac{2}{3}

6. Solve the exponential equation for $t$.

−120t=ln⁡(23)-\frac{1}{20}t = \ln\left(\frac{2}{3}\right)
t=−20ln⁡(23)=20ln⁡1.5t = -20 \ln\left(\frac{2}{3}\right) = 20 \ln 1.5
t≈8.11 minutes (to 3 s.f.)t \approx 8.11 \text{ minutes (to 3 s.f.)}

答案

8.118.11 minutes

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