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8-5微分方程应用举例.doc

发布:2019-09-24约6千字共8页下载文档
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PAGE PAGE 6 §8-5 微分方程应用举例 在前面几节,已经举了一些力学、运动学方面应用微分方程的实例,本节将再集中学习几个在其他方面的应用实例,说明微分方程在许多实际领域中都有着广泛的应用. 应用微分方程解决实际问题通常按下列步骤进行: (1)建立模型:分析实际问题,建立微分方程,确定初始条件; (2)求解方程:求出所列微分方程的通解,并根据初始条件确定出符合实际情况的特解; (3)解释问题:从微分方程的解,解释、分析实际问题,预计变化趋势. 例1 有一个30?30?12(m3)的车间,空气中CO2的容积浓度为0.12%.为降低CO2的含量,用一台风量为1500(m3/min)的进风鼓风机通入CO2浓度为0.04%的新鲜空气,假定通入的新鲜空气与车间内原有空气能很快混合均匀,用另一台风量为1500(m3/min)的排风鼓风机排出,问两台鼓风机同时开动10min后,车间中CO2的容积浓度为多少? 解 车间体积为10800m3.设鼓风机开动t (min)后,车间空气中CO2的含量为x=x(t),那么容积浓度为 SKIPIF 1 0 . 记在t到t+dt这段时间内,车间CO2含量的改变量为dx,则 dx=该时间段内CO2通入量-该时间段内CO2排出量 =单位时间进风量?进风CO2的浓度?时间-单位时间排风量?排风CO2浓度?时间 =1500?0.04%?dt -1500? SKIPIF 1 0 ?dt, 于是有 SKIPIF 1 0 =1500?0.04% -1500? SKIPIF 1 0 即 SKIPIF 1 0 = SKIPIF 1 0 (4.32-x) 初始条件x(0)=10800?0.12%=12.96. 方程为可分离变量的方程,其通解为 x(t)=4.32+C SKIPIF 1 0 . 将初始条件代入上式,得C=8.64.于是在t时刻车间内空气中CO2的含量为 x(t)=4.32(1+2 SKIPIF 1 0 ). 所以鼓风机打开10min后,车间中CO2浓度为 SKIPIF 1 0 =0.06%. 例2 (马尔萨斯人口方程)英国人口学家马尔萨斯在1798年提出了人口指数增长模型:人口的增长率与当时的人口总数成正比.若已知t=t0时人口总数为x0,试根据马尔萨斯模型,确定时间t与人口总数x(t)之间的函数关系.据我国有关人口统计的资料数据,1990年我国人口总数为11.6亿,在以后的8年中,年人口平均增长率为14.8‰,假定年增长率一直保持不变,试用马尔萨斯方程预测2005年我国的人口总数. 解 记t时的人口总数为x=x(t),则人口的增长率为 SKIPIF 1 0 ,据人口指数增长模型为 SKIPIF 1 0 =rx(t),(r为比例系数,即马尔萨斯增长指数) (1) 并附初始条件:x(t0)=x. 方程是可分离变量方程,易得它的通解为x=Cert.将初始条件x(t0)= SKIPIF 1 0 代入,得C=x0 SKIPIF 1 0 .于是时间t与人口总数x(t)之间的函数关系为x(t)=x0 SKIPIF 1 0 . 将t=2005, t0= 1990, x0=11.6, r=0.0148代入,可预测出2005年我国的人口总数为 x|t=2005=11.6e 0.0148?(2005-1990) ?14.5(亿). 例3 有一由电阻、电感串接而成的电路,如图8-6所示,其中电源电动势E=E0sin?t,(E0,?为常量),电阻R和电感L为常量,在t=0时合上开关S,其时电流为零,求此电路中电流i与时间t的函数关系. 图8-6?RLSE解 由电学知识,电感L上的感应电动势为L SKIPIF 1 0 图8-6 ? R L S E E=Ri+L SKIPIF 1 0 , 即 SKIPIF 1 0 sin?t, (1) 初始条件为i(0)=0. 方程是一阶非齐次线性微分方程,它的通解为 i(t)=C SKIPIF 1 0 + SKIPIF 1 0 (Rsin?t-?Lcos?t). 将初始条件i(0)=0代入上式,得C= SKIPIF 1 0 .于是所求电流为
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