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解一阶ODE的第二的方法:变数可分离之ODE的解法,也是直接积分法
提要9:解一階ODE的第二個方法--變數可分離之ODE的解法
若一階ODE可表為等號左邊僅與應變數(Dependent Variable) y有關,而等號右邊僅與自變數(Independent Variable)x有關,亦即:
則可直接對x變數作積分,即:
上式可化簡為:
以下四個範例之自變數則以t表示。
範例一 提要2之問題為已知化石中之放射性碳6C14的含量為初始含量的12.5%,試推估該化石的年齡?已知6C14之半衰期為5,730年。所建立之數學模式為,,。其中y是放射性碳6C14之質量(單位:公克或其他質量單位),t表時間(單位:年),k為衰減係數,為放射性物質之初始質量。
解答:
原式可改寫為變數可分離之型式如下:
再對變數t直接作積分:
故
即
上式再取自然指數的運算:
並令,則問題之通解可表為:
將上式代入問題之初始條件及半衰期條件,即可求出與k這兩個未知常數,即,因此。故特解為:
題目是問,當剩下的是原來的12.5%(即0.125)時,化石的年齡是多少?故
因此年,所以
化石的年齡為17,190年
Notice:
解一階ODE之通解時,只會產生一個積分常數,故僅需一個初始條件,即可求出該積分常數的值。
本題因多了一個衰減係數,故需另找一個條件,即半衰期的條件,以便求出衰減係數k之值。
範例二 提要3之問題為將100(C的銅球置於水溫恆保持為25(C之水中,3分鐘後,銅球的溫度降為70(C,試問何時銅球溫度降為26(C?所建立之數學模式為,oC,oC。其中y是銅球的溫度(單位:(C),t表時間(單位:分鐘),k為冷卻係數。
解答:
原式可改寫為變數可分離之型式如下:
再對t變數作積分:
然後取自然指數的運算:
令,所以通解可表為:
再代入兩個初始條件oC與oC求兩個未知數與k:
所以
因此滿足初始條件之特解為:
當銅球溫度降為26時,上式可表為:
26 = 25 + 75
所以
分鐘
範例三 提要4之問題為已知100加侖的水槽中溶有20磅的鹽,若每分鐘有另一種濃度(每一加侖含2磅鹽)的鹽水5加侖流入水槽中,充分混合後,每分鐘水槽亦排出5加侖的鹽水,試求任意時刻水槽中之鹽重。其所建立之數學模式為,。其中y表水槽中之鹽重(單位:磅),t是時間變數(單位:分鐘)。
解答:
原式可改寫為變數可分離之型式如下:
再對t變數作積分:
所以
,
再代入初始條件:
所以
即滿足初始條件的特解為
利用上式,即可推算出任意時刻t,水槽中之鹽分重量y。
範例四 提要5之問題為若睡前兩小時關掉暖氣系統,當時之室溫為28(C,關掉暖氣系統後兩個小時,室溫降為26(C,試問六個小時後(暖氣系統已關掉八個小時),室溫室多少?假設室外溫度恆維持在0(C。所建立之數學模式為,,。其中y表室溫(單位:(C),t是時間變數(單位:小時),k為冷卻係數。
解答:
原式可改寫為變數可分離之微分方程式如下:
再對t變數作積分:
所以
即
或
,(通解)
再代入初始條件與求與k:
所以,。即:
(特解)
因此8小時後,室溫降為:
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