在化学反应中,化合物 XX 是由两种化合物 YY 和 ZZ 反应生成的。 在反应开始后 tt 秒时,存在的 XX、YY 和 ZZ 的质量(以克为单位)分别为 xx、15−x15 - x 和 25−x25 - x。在任何时刻,XX 的生成速率与当时存在的 YY 和 ZZ 的质量乘积成正比。已知当 t=0t = 0 时,x=0x = 0 且 dxdt=3\frac{\text{d}x}{\text{d}t} = 3。 [续]

  1. (i)

    写出联系 xx 和 tt 的微分方程,并求出比例常数的值。

  2. (ii)

    求解第 (i) 问中求得的微分方程,并求出用 tt 表示 xx 的表达式。

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完整解法

11(i)

1. Translate the given problem statement into a differential equation using a constant of proportionality $k$.

The rate of formation of XX is dxdt\frac{\text{d}x}{\text{d}t}. It is proportional to the product of the masses of YY and ZZ, which are (15−x)(15-x) and (25−x)(25-x) respectively.

dxdt=k(15−x)(25−x)\frac{\text{d}x}{\text{d}t} = k(15 - x)(25 - x)

2. Substitute the initial conditions to find the value of $k$.

Given x=0x = 0 and dxdt=3\frac{\text{d}x}{\text{d}t} = 3 when t=0t = 0:
3=k(15−0)(25−0)3 = k(15 - 0)(25 - 0)
3=375k3 = 375k
k=3375=1125k = \frac{3}{375} = \frac{1}{125}

答案

dxdt=k(15−x)(25−x)\frac{\text{d}x}{\text{d}t} = k(15 - x)(25 - x) and k=1125k = \frac{1}{125}

11(ii)

1. Substitute the constant of proportionality from part (i) and separate the variables.

From part (i), the differential equation is:
dxdt=1125(15−x)(25−x)\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t} = \frac{1}{125}(15-x)(25-x)
Separating the variables:
∫1(15−x)(25−x) dx=∫1125 dt\int \frac{1}{(15-x)(25-x)} \, \mathrm{d}x = \int \frac{1}{125} \, \mathrm{d}t

2. Decompose the rational expression using partial fractions.

Let 1(15−x)(25−x)≡A15−x+B25−x\frac{1}{(15-x)(25-x)} \equiv \frac{A}{15-x} + \frac{B}{25-x}
1≡A(25−x)+B(15−x)1 \equiv A(25-x) + B(15-x)
Substituting x=15  ⟹  1=10A  ⟹  A=110x = 15 \implies 1 = 10A \implies A = \frac{1}{10}
Substituting x=25  ⟹  1=−10B  ⟹  B=−110x = 25 \implies 1 = -10B \implies B = -\frac{1}{10}
Substitute back into the integral equation:
110∫(115−x−125−x) dx=∫1125 dt\frac{1}{10} \int \left( \frac{1}{15-x} - \frac{1}{25-x} \right) \, \mathrm{d}x = \int \frac{1}{125} \, \mathrm{d}t
∫(115−x−125−x) dx=∫225 dt\int \left( \frac{1}{15-x} - \frac{1}{25-x} \right) \, \mathrm{d}x = \int \frac{2}{25} \, \mathrm{d}t

3. Integrate both sides to find the general solution.

−ln⁡∣15−x∣+ln⁡∣25−x∣=225t+C-\ln|15-x| + \ln|25-x| = \frac{2}{25}t + C
ln⁡∣25−x15−x∣=225t+C\ln\left| \frac{25-x}{15-x} \right| = \frac{2}{25}t + C

4. Apply the initial condition to evaluate the constant of integration.

Given x=0x=0 when t=0t=0:
ln⁡∣25−015−0∣=225(0)+C  ⟹  C=ln⁡(53)\ln\left| \frac{25-0}{15-0} \right| = \frac{2}{25}(0) + C \implies C = \ln\left(\frac{5}{3}\right)
Substituting CC back into the equation:
ln⁡∣25−x15−x∣=225t+ln⁡(53)\ln\left| \frac{25-x}{15-x} \right| = \frac{2}{25}t + \ln\left(\frac{5}{3}\right)

5. Remove the logarithm and use the physical context to determine the sign.

Since compound XX is formed from YY (initial mass 1515 g), the mass xx must be less than 1515. Thus for t≥0t \geq 0, 15−x>015-x > 0 and 25−x>025-x > 0, allowing us to remove the absolute value bars.
25−x15−x=e225t+ln⁡(5/3)\frac{25-x}{15-x} = \mathrm{e}^{\frac{2}{25}t + \ln(5/3)}
25−x15−x=53e225t\frac{25-x}{15-x} = \frac{5}{3}\mathrm{e}^{\frac{2}{25}t}

6. Rearrange the equation to make $x$ the subject.

Cross-multiplying:
3(25−x)=5(15−x)e225t3(25-x) = 5(15-x)\mathrm{e}^{\frac{2}{25}t}
75−3x=75e225t−5xe225t75 - 3x = 75\mathrm{e}^{\frac{2}{25}t} - 5x\mathrm{e}^{\frac{2}{25}t}
Group terms involving xx:
5xe225t−3x=75e225t−755x\mathrm{e}^{\frac{2}{25}t} - 3x = 75\mathrm{e}^{\frac{2}{25}t} - 75
x(5e225t−3)=75(e225t−1)x(5\mathrm{e}^{\frac{2}{25}t} - 3) = 75(\mathrm{e}^{\frac{2}{25}t} - 1)
x=75(e225t−1)5e225t−3x = \frac{75(\mathrm{e}^{\frac{2}{25}t} - 1)}{5\mathrm{e}^{\frac{2}{25}t} - 3}

答案

x=75(e225t−1)5e225t−3x = \frac{75(\mathrm{e}^{\frac{2}{25}t} - 1)}{5\mathrm{e}^{\frac{2}{25}t} - 3}

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