Uppgift 12

Volymen av ett klot med radie \(r\) minskar med en hastighet som är proportionell mot \(r^3\). Bestäm klotets volym som en funktion av tiden, \(V(t)\), om du vet att:

$$V(0) = 1000$$ $$V'(0) = -10$$
 

Låt \(r = r(t)\) vara radien vid tiden \(t\). Från uppgiften har vi \(v'(t) = \frac{dV}{dt} = kr^3\).

Volymen av ett klot med radie \(r\) är $$V = \frac{4 \pi r^3}{3}$$ vilket ger: $$\frac{dV}{dr} = 4 \pi r^2$$

Enligt kedjeregeln har vi

$$\frac{dV}{dt} = \frac{dV}{dr} \cdot \frac{dr}{dt} \Leftrightarrow kr^3 = 4 \pi r^2 \cdot \frac{dr}{dt}$$

Detta är en separabel differentialekvation. Vi kan dividera med \(r\) eftersom den inte är \(0\) och får till slut:

$$\frac{k}{4 \pi}dt = \frac{dr}{r} \Leftrightarrow \ln(r) = \frac{kt}{4 \pi} + C \Leftrightarrow r(t) = De^{\frac{kt}{4 \pi}}$$

för någon konstant \(D\). Insättning ger:

$$V(t) = \frac{4 \pi r(t)^3}{3} = \frac{4 \pi}{3} \cdot \left( De^{\frac{kt}{4 \pi}} \right)^3 = \frac{4 \pi}{3} \cdot D^3 e^{\frac{3kt}{4 \pi}}$$

Nu återstår att bestämma konstanerna \(D\) och \(k\). Från det ena villkoret, \(V(0) = 1000\), får vi:

$$1000 = V(0) = \frac{4 \pi}{3} \cdot D^3 e^{\frac{3k \cdot 0}{4 \pi}} = \frac{4 \pi}{3} \cdot D^3 \cdot 1$$

$$\Leftrightarrow D^3 = \frac{3000}{4 \pi}$$

Från det andra villkoret, \(V'(0) = -10\), får vi:

$$-10 = \frac{dV}{dt} |_{t=0} = kr(0)^3 = k \cdot D^3 \cdot e^{\frac{3k \cdot 0}{4 \pi}} = k \cdot D^3 \cdot 1$$

$$\Leftrightarrow -10 = k \cdot \frac{3000}{4 \pi} \Leftrightarrow k = \frac{-4 \pi}{300}$$

Alltså har vi konstanterna \(k\) och \(D\), vilket genom insättning ger svaret:

$$V(t) = 1000e^{\frac{-t}{100}}$$


Har du kommit så här långt i mattestudierna passar du kanske utmärkt som volontär i Mattecentrums räknestugor. Läs mer här om hur du blir volontär.

Har du en fråga du vill ställa om Uppgift 12? Ställ den på Pluggakuten.se
Har du hittat ett fel, eller har du kommentarer till materialet på den här sidan? Mejla matteboken@mattecentrum.se