Vanntank med differensiallikning

Del 2, alle hjelpemidler

Vanntank med differensiallikning

Lest inn av KI og ikke kontrollert manuelt enda — kan inneholde feil.

I en tank renner det inn vann med konstant fart. Samtidig renner det ut vann gjennom et hull i bunnen av tanken. Vannmengden som renner ut per minutt, er til enhver tid proporsjonal med vannmengden i tanken. La y(t) liter være vannmengden i tanken etter t minutter. Da er y løsningen av differensiallikningen

y′=3,2−0,14y,y(0)=200
Hjelpemiddelkrav: For hånd

Forklar hva tallene 3,2 og 0,14 og 200 står for.

Hjelpemiddelkrav: For hånd

Løs differensiallikningen.

Hjelpemiddelkrav: Kalkulator

Hvor mye vann er det i tanken etter 20 min?

I en annen tank renner det inn 1,5 L vann per minutt. Også i denne tanken renner det ut vann gjennom et hull i bunnen. Vannmengden som renner ut, er proporsjonal med vannmengden i tanken. Når t=0, er det 0 L i denne tanken. Etter lang tid vil vannmengden i tanken stabilisere seg på 10 L.

Hjelpemiddelkrav: Kalkulator

Hvor mye vann er det i denne tanken etter 20 min?

Fasit

Se forklaring i løsningsforslaget.

y(t)=1607+(200−1607)⋅e−0,14t

y(20)≈33,6L

y(20)≈9,50L

LøsningsforslagKI-generert

I differensiallikningen y′=3,2−0,14y, y(0)=200, betyr tallene:

  • 3,2 er hvor mange liter vann som renner inn i tanken per minutt (konstant innstrømning).
  • 0,14 er proporsjonalitetskonstanten for utstrømningen: 14% av vannmengden som til enhver tid er i tanken, renner ut per minutt.
  • 200 er vannmengden (i liter) som er i tanken ved t=0.

Likningen er separabel:

y′=3,2−0,14y⇒dy3,2−0,14y=dt

Vi integrerer på begge sider:

−10,14ln⁡|3,2−0,14y|=t+C1

Løser vi ut y, får vi den generelle løsningen

y(t)=3,20,14+C⋅e−0,14t=1607+C⋅e−0,14t

Startbetingelsen y(0)=200 gir C=200−1607, slik at

y(t)=1607+(200−1607)⋅e−0,14t

GeoGebra CAS bekrefter denne løsningen (og løsningen i d)):

CAS-løsning av begge differensiallikningene

Dette stemmer med at y nærmer seg likevektsverdien 1607≈22,86L når t→∞, siden 200>1607 og eksponentialleddet dør ut.

Vi setter t=20 inn i uttrykket fra b):

y(20)=1607+(200−1607)⋅e−0,14⋅20≈33,6

y(20)≈33,6L. Etter 20 minutter er det altså om lag 33,6 liter vann i tanken.

I den andre tanken er innstrømningen 1,5L per minutt, og utstrømningen er proporsjonal med vannmengden y med en ukjent konstant k:

y′=1,5−k⋅y,y(0)=0

Etter lang tid stabiliserer y seg på likevektsverdien der y′=0, altså y=1,5k. Siden denne likevekten skal være 10L:

1,5k=10⇒k=0,15

Løsningen har samme form som i b) (se y2(t) i CAS-utklippet over):

y(t)=1,5k(1−e−kt)=10(1−e−0,15t)

(Her er C=−1,5k=−10 fordi y(0)=0.) Vi setter inn t=20:

y(20)=10(1−e−0,15⋅20)=10(1−e−3)≈9,50

y(20)≈9,50L. Etter 20 minutter er det altså om lag 9,50 liter vann i den andre tanken.

Forstå oppgaven med en KI

Du får en ferdig tekst du limer inn i den KI-chatboten du bruker. Teksten inneholder oppgaven og en instruks om at chatboten skal hjelpe deg å tenke selv — stille spørsmål, gi ett hint av gangen og la deg gjøre regningen.

Anbefalt. Chatboten får beskjed om å bruke det til å veilede deg riktig vei — ikke til å røpe svaret. Du kan slå det av hvis du vil være helt sikker på at ingenting lekker.

Hva du bør vite
  • Ingenting sendes herfra. Teksten kopieres bare til utklippstavla på enheten din. Det du limer inn i en chatbot, går til den tjenesten — og de har sine egne regler for hva de lagrer.
  • Ikke lim inn personopplysninger — navn, skole eller noe annet om deg selv eller andre. Oppgaveteksten holder.
  • KI kan ta feil, også i matematikk. Sjekk alltid mot løsningsforslaget her på siden.
  • Er du usikker på om du har lov til å bruke KI på skolearbeidet ditt, spør læreren din først.

Tastatursnarveier

Navigasjon

⌘K / Ctrl+K
Åpne søk
G F
Gå til Fag
G E
Gå til Eksamener
G T
Gå til Temaer
G K
Gå til Kompetansemål
G H
Hjem
?
Vis snarveier

I oppgave

←/→ · J/K
Forrige / neste oppgave
0
Marker som ikke prøvd
1
Marker som prøvd
2
Marker som trenger hjelp
3
Marker som ferdig
S
Vis / skjul løsningsforslag
A
Legg til i liste
N
Skriv notat
Esc
Tilbake / avslutt