참고: 시료의 0.5퍼센트가 하루 동안 붕괴한다고 할 때, 이것은 처음 시료의 0.5퍼센트를 뜻하는 것이 아니다. 어떤 날이 시작될 때 시료가 1 마이크로그램이라면, 그 후 24시간 동안 붕괴하는 양은 (어떤 시각 t=0 에 "처음" 시료가 얼마였든 상관없이) 그 1 마이크로그램의 약 0.5퍼센트이다.
특히 시료가 점점 작아지므로, 매일 붕괴하는 0.5퍼센트는 실제로 붕괴하는 원자의 수가 점점 줄어든다는 것을 뜻한다. 그래서 매일 0.5%가 붕괴하고 100×0.5=50 이라고 해서, 약 100일 후에 시료의 절반(50%)이 붕괴한다고 말할 수는 없다.
원본 교재 풀이(영어)
We know that the amount of Polonium-210 in a sample after t days is given by
Q(t)where C is the original amount of the sample, and k is some positive constant.The question asks us what percentage of the sample decays in a day. Since t is measured in days, the amount that decays in a day is Q(t)−Q(t+1). The percentage of Q(t) that this represents is 100Q(t)Q(t)−Q(t+1). (For example, if there were two grams at time t, and one gram at time t+1, then 10012−1=50: 50% of the sample decayed in a day.)In order to simplify, we should figure out a better expression for Q(t). As usual, we make use of the half-life.Q(138)Ce−k⋅138(e−k)138e−kNow, we have a better formula for Q(t):Q(t)Q(t)Finally, we can evaluate what percentage of the sample decays in a day.100Q(t)Q(t)−Q(t+1)=Ce−kt=2C=2C=21=2−1=2−1381=C(e−k)t=C⋅2−138t=100C⋅2−138tC⋅2−138t−C⋅2−138t+1(C1C1)=1002−138t2−138t−2−138t+1=100(2−138t−2−138t+1)2138t=100(1−2−1381)≈0.5
About 0.5% of the sample decays in a day.
Remark: when we say that half a percent of the sample decays in a day, we don't mean half a percent of the original sample. If a day starts out with, say, 1 microgram, then what decays in the next 24 hours is about half a percent of that 1 microgram, regardless of what the “original" sample (at some time t=0) held.
In particular, since the sample is getting smaller and smaller, that half of a percent that decays every day represents fewer and fewer actual atoms decaying. That's why we can't say that half of the sample (50%) will decay after about 100 days, even though 0.5% decays every day and 100×0.5=50.
광석 시료에 우라늄-232가 7.2±0.3μg 들어 있다고 한다. 우라늄-232의 반감기는 68.8년에서 70년 사이이다. 10년 후 이 시료에 붕괴하지 않고 남아 있는 우라늄-232의 양은 얼마인지 구하세요.
영어 원문 보기
A sample of ore is found to contain 7.2±0.3μg of Uranium-232, the half-life of which is between 68.8 and 70 years. How much Uranium-232 will remain undecayed in the sample in 10 years?
The amount of Uranium-232 in the sample of ore at time t will be
Q(t)where 6.9≤Q(0)≤7.5. We don’t exactly know Q(0), and we don’t exactly know the half-life, so we also won’t exactly know Q(10): we can only say that is it between two numbers. Our strategy is to find the highest and lowest possible values of Q(10), given the information in the problem.In order for the most possible Uranium-232 to be in the sample after 10 years, we should start with the most and have the longest half-life (since this represents the slowest decay). So, we take Q(0)=7.5 and Q(70)=21(7.5).Q(t)21(7.5)=Q(70)212−701So, in this secenario,Q(t)After ten years,Q(10)So after ten years, the sample contains at most 6.8 μg.Now, let’s think about the least possible amount of Uranium-232 that could be left after 10 years. We should start with as little as possible, so take Q(0)=6.9, and the sample should decay quickly, so take the half-life to be 68.8 years.Q(t)216.9=Q(68.8)212−68.81In this scenario,Q(t)After ten years,Q(10)So after ten years, the sample contains at least 6.2 μg.=Q(0)e−kt=7.5e−kt=7.5e−k(70)=(e−k)70=e−k=7.5⋅2−70t=7.5⋅2−7010≈6.79=6.9e−kt=6.9e−k(68.8)=(e−k)68.8=e−k=6.9⋅2−68.8t=6.9⋅2−68.810≈6.24
After ten years, the sample contains between 6.2 and 6.8 μg of Uranium-232.
아이작 뉴턴은 커피에 크림을 넣어 마십니다. 정확히 말하면 커피 9 : 크림 1의 비율입니다. 집주인 아주머니가 95∘ C의 커피를 한 잔 따라 주면, 뉴턴은 5∘ C의 냉장고에서 꺼낸 크림을 그 커피에 넣고 젓습니다.
10분 뒤에 그 혼합물을 마실 때 보니 54∘ C로 식어 있었습니다.
뉴턴은 마시기 직전에 크림을 넣었다면 커피가 더 뜨거웠을지(그리고 얼마나 더 뜨거웠을지) 궁금해합니다. 다음을 가정하고 이 문제를 분석하세요.
(i) 식당의 온도는 22∘ C로 일정하다.
(ii) 온도가 T1 인 액체의 부피 V1 과 온도가 T2 인 액체의 부피 V2 를 섞으면, 혼합물의 온도는 V1+V2V1T1+V2T2 이다.
(iii) 뉴턴의 냉각 법칙: 물체의 온도는 물체와 주변의 온도 차에 비례하는 비율로 식는다.
(iv) 크림을 넣은 커피 한 잔과 순수한 커피 한 잔의 비례상수는 같다.
영어 원문 보기
Isaac Newton drinks his coffee with cream. To be exact, 9 parts coffee
to 1 part cream. His landlady pours him a cup of coffee at
95∘ C into which Newton stirs cream taken from the icebox at 5∘ C.
When he drinks the mixture ten minutes later, he notes that it has cooled
to 54∘ C.
Newton wonders if his coffee would be hotter (and by how much) if he
waited until just before drinking it to add the cream. Analyze this question,
assuming that:
(i) The temperature of the dining room is constant at 22∘ C.
(ii) When a volume V1 of liquid at temperature T1 is mixed
with a volume V2 at temperature T2, the temperature of the mixture
is V1+V2V1T1+V2T2.
(iii) Newton's Law of Cooling: The temperature of an object
cools at a rate proportional to the difference in temperature between the
object and its surroundings.
(iv) The constant of proportionality is the same for the cup
of coffee with cream as for the cup of pure coffee.
정답·풀이 보기
첫 번째 경우: 시각 0 에 뉴턴은 온도가 95∘ C 인 커피 9 와 온도가 5∘ C 인 크림 1 을 섞는다. 그 결과 혼합물의 온도는
9+19×95+1×5=86∘
이다. 이 혼합물은 처음 온도 86∘, 주변 온도 22∘ 로 뉴턴의 냉각 법칙에 따라 식는다.
두 번째 경우: 시각 0 에 뉴턴은 온도가 95∘ C 인 뜨거운 커피를 받는다. 이 커피는 뉴턴의 냉각 법칙에 따라 식는다.
T(t)=[T(0)−22]e−kt+22
이 두 번째 경우에서 T(0)=95 이므로
T(t)=[95−22]e−kt+22=73e−kt+22
이다. k 의 값은 첫 번째 경우와 같으므로 10분 후에
T(10)=22+73e−10k=22+7321=58.5
이다. 이 식은 커피를 차가운 크림과 섞으면 혼합물의 온도는
9+19×58.5+1×5=53.15
가 된다.
두 번째 경우(마시기 직전에 크림을 넣는 경우)에는 커피가 0.85∘ C 더 차가워진다.
원본 교재 풀이(영어)
First scenario: At time 0, Newton mixes 9 parts coffee at temperature
95∘ C with 1 part cream at temperature 5∘ C. The resulting
mixture has temperature
9+19×95+1×5=86∘
The mixture cools according to Newton's Law of Cooling, with initial temperature 86∘ and ambient temperature 22∘:
We could compute k from this, but we don't need it.
Second scenario: At time 0, Newton gets hot coffee at temperature
95∘ C. It cools according to Newton's Law of Cooling
T(t)=[T(0)−22]e−kt+22
In this second scenario, T(0)=95, so
T(t)=[95−22]e−kt+22=73e−kt+22
The value of k is the same as in the first scenario, so after 10 minutes
T(10)=22+73e−10k=22+7321=58.5
This cooled coffee is mixed with cold cream to yield a mixture of temperature
9+19×58.5+1×5=53.15
Under the second (add cream just before drinking) scenario, the coffee
ends up cooler by 0.85∘ C.
아이스티 한 잔의 온도가 처음에 5∘이다.
공기의 온도가 30∘인 방에서 5분이 지나자 차의 온도가 10∘로 올랐다.
(a) 뉴턴의 냉각 법칙을 이용하여 시각 t에서의 온도 T(t)에 대한 미분방정식을 구하세요.
(b) 차의 온도가 20∘에 도달하는 때를 구하세요.
영어 원문 보기
The temperature of a glass of iced tea is initially 5∘.
After 5 minutes, the tea has heated to 10∘ in a room where the air
temperature is 30∘.
(a) Use Newton's law of cooling to obtain a differential equation
for the temperature T(t) at time t.
(b) Determine when the tea will reach a temperature of 20∘.
정답·풀이 보기
(a) 뉴턴의 냉각 법칙에 의해 온도의 변화율은 T(t)와 주변 온도의 차에 비례하며, 이 문제에서 주변 온도는 30∘이다. 따라서
dtdT=k[T(t)−30]
이다. 여기서 k는 비례상수이다.
(a)를 풀려면 k만 구하면 된다.
뉴턴의 냉각 법칙에 따르면 시각 t에서의 온도는 다음과 같다.
T(t)T(5)=10이주어져있다:1025e5ke5k5kk따라서미분방정식은다음과같다dtdT(t)=[T(0)−A]ekt+A=[5−30]ekt+30=−25ekt+30=−25e5k+30=20=54=log(4/5)=51log(4/5)=51log(4/5)[T(t)−30]
(b) T(t)=30−25ekt이므로 차의 온도가 20∘가 되는 때는 다음과 같다.
(a) By Newton's law of cooling, the rate of change of temperature
is proportional to the difference between T(t) and the ambient temperature,
which in this case is 30∘. Thus
dtdT=k[T(t)−30]
for some constant of proportionality k.
To answer part (a), all we have to do is find k.
Under Newton's Law of Cooling, the temperature at time t will be given by
T(t)We are told T(5)=10:1025e5ke5k5kkSo, the differential equation isdtdT(t)=[T(0)−A]ekt+A=[5−30]ekt+30=−25ekt+30=−25e5k+30=20=54=log(4/5)=51log(4/5)=51log(4/5)[T(t)−30]
(b) Since T(t)=30−25ekt, the temperature of the tea is 20∘ when
x=0 일 때 y−1y−2=21>0 임을 알 수 있다. 또한 21e1−cosx 는, 따라서 y−1y−2 도, 결코 0 이 될 수 없다. y(x) 는 x 에 따라 연속적으로 변하므로 y(x) 는 계속 2 보다 커야 한다. 따라서 y−1y−2 는 계속 양수이므로 절댓값 기호를 없앨 수 있다. 그러므로
간단히 하기 위해 L=1−log2 라 하면 L>0 이다. (2<e 이므로 log2<loge=1 이고, 따라서 1−log2>0 임에서 알 수 있다.)
x=0 은 우리가 구한 함수의 정의역에 속하지만, 점 x=±arccos(L)=±arccos(1−log2) 는 정의역에 속하지 않는다.
따라서 우리의 답이 의미를 갖는 가장 큰 구간은 −arccos(1−log2))>x>arccos(1−log2)
이고, 이는 대략 −1.259<x<1.259 이다.
원본 교재 풀이(영어)
What we're given is an equation relating y to the integral of a function of y. What we know how to solve is an equation relating the derivative of y to a function of y. We can create this by differentiating the given integral equation.
By the Fundamental Theorem of Calculus, part 1:
So y(x) satisfies the differential equation y′=(y2−3y+2)sinx=(y−2)(y−1)sinx
and the initial equation y(0)=3 (just substitute x=0 into (∗)).
For y=1,2:
dxdy(y−2)(y−1)dy∫(y−2)(y−1)dyUsing the method of partial fractions, we see (y−2)(y−1)1=y−21−y−11.∫[y−21−y−11]dylog∣y−2∣−log∣y−1∣logy−1y−2y−1y−2The condition y(0)=3 forces 3−13−2=ec−1 or ec=21e, hencey−1y−2=(y−2)(y−1)sinx=sinxdx=∫sinxdx=∫sinxdx=−cosx+c=−cosx+c=ec−cosx=21e1−cosx
Observe that, when x=0, y−1y−2=21>0. Furthermore
21e1−cosx, and hence y−1y−2,
can never take the value zero. As y(x) varies continuously with x,
y(x) must remain larger than 2. Consquently, y−1y−2 remains
positive and we may drop the absolute value signs. Hence
y−1y−2=21e1−cosx Solving for y,y−1y−22(y−2)2y−4y(2−e1−cosx)y=21e1−cosx=e1−cosx(y−1)=ye1−cosx−e1−cosx=4−e1−cosx=2−e1−cosx4−e1−cosx
To avoid division by zero in the last step, we need
e1−cosx1−cosxcosx=2=log2=1−log2
Let L=1−log2, for brevity, and note that L>0. (This can be seen by observing 2<e, so, log2<loge=1, hence 1−log2>0.)
We know x=0 is in the domain of our function, but the points x=±arccos(L)=±arccos(1−log2) are not.
Therefore, the largest interval for which our answer makes sense is −arccos(1−log2))>x>arccos(1−log2)
or approximately −1.259<x<1.259.
반지름이 3 미터이고 높이가 6 미터인 원기둥 모양의 물탱크가 물로 가득 차 있을 때 바닥에 구멍이 났다. 물은 반지름이 1 센티미터인 구멍을 통해 빠져나간다. 만약
h(t) 가 시각 t 에서 탱크 안 물의 높이(단위: 미터)이고
v(t) 가 시각 t 에서 빠져나가는 물의 속도(단위: 초당 미터)이면
토리첼리의 법칙에 의해 v(t)=2gh(t) 이다. 여기서 g=9.8m/sec2 이다. 탱크가 비는 데 걸리는 시간을 구하세요.
영어 원문 보기
A cylindrical water tank, of radius 3 meters and height 6 meters,
is full of water when its bottom is punctured. Water drains out
through a hole of radius 1 centimeter. If
h(t) is the height of the water in the tank at time t (in
meters) and
v(t) is the velocity of the escaping water at time t (in
meters per second) then
Torricelli's law states that v(t)=2gh(t) where g=9.8m/sec2. Determine how long it takes for the tank to empty.
정답·풀이 보기
아주 짧은 시간 간격 dt 동안 탱크 안 물의 높이가 dh (음수)만큼 변한다고 하자.
그러면 이 시간 간격 동안 탱크 안 물의 양은 dV=−π(3)2dh 만큼 감소한다.
이는 같은 시간 간격 동안 구멍을 통해 흘러나간 물의 양과 같아야 한다. 구멍을 통해 흘러나가는 물은 반지름이 1 cm (즉, 0.01 m)이고 길이가 v(t)dt 인 원기둥을 이루는데, 이 길이는 dt 초 동안 물이 구멍 밖으로 움직인 거리이다. 따라서 시간 간격 dt 동안 구멍으로 빠져나간 물의 양은 π(0.01)2v(t)dt=π(0.01)22gh(t)dt 이다.
Suppose that in a very short time interval dt, the height
of water in the tank changes by dh (which is negative).
Then in this time interval the amount of the water in the tank decreases
by dV=−π(3)2dh.
This must be the same as the amount of water that flows through the hole
in this time interval. The water flowing through the hole makes a cylinder of radius 1 cm (that is, 0.01 m) with length v(t)dt, the distance the water moves out of the hole in dt seconds. So, the amount of water leaving the hole over the time interval dt is π(0.01)2v(t)dt=π(0.01)22gh(t)dt.
This gives us a separable differential equation. Recall g is a constant.
−π(3)2dhhdh∫hdh2hAt time 0, the height is 6, so C=26 and2hWe want to know when the height of the water in the tank is 0.0(30.01)22gtt=π(0.01)22gh(t)dt=−(30.01)22gdt=∫−(30.01)22gdt=−(30.01)22gt+C=−(30.01)22gt+26=−(30.01)22gt+26=26=(30.01)22g26=2(0.013)2g3=180,000g3≈99,591 sec≈27.66 hr
반지름이 6 피트인 구형 탱크에 수은이 가득 차 있는데, 바닥에 반지름이 1 인치인 원형 구멍이 뚫렸습니다. 탱크의 수은이 모두 빠져나가는 데 얼마나 걸리는지 구하세요.
g=32feet/sec2 의 값을 사용하세요.
또한 토리첼리의 법칙을 사용하세요. 이 법칙은 탱크 안 수은의 높이가 h 일 때 탱크에서 흘러나오는 수은의 속력이 v=2gh 임을 말해 줍니다.
영어 원문 보기
A spherical tank of radius 6 feet is full of mercury when
a circular hole of radius 1 inch is opened in the bottom. How long will
it take for all of the mercury to drain from the tank?
Use the value
g=32feet/sec2.
Also use Torricelli's law, which states when the height of mercury in the tank
is h, the speed of the mercury escaping from the tank is v=2gh.
정답·풀이 보기
시각 t 에서 탱크 안 수은의 높이가 h 이고, 이 값은 0 피트와 12 피트 사이라고 하자.
이때 수은의 윗면은 반지름이 62−(h−6)2 인 원판을 이룬다. (위 그림의 삼각형에 피타고라스 정리를 적용하여 구한 것이다. 그림에서는 h 가 6보다 큰 경우를 나타냈지만, [0,12] 에 속하는 모든 h 에 대해 같은 식이 성립한다.)
이제 아주 짧은 시간 dt 동안 탱크 안 수은의 높이가 dh 만큼 변한다고 하자(이 값은 음수이다). 그러면 이 시간 동안 탱크 안 수은의 양은
−π(62−(h−6)2)2dh 만큼 줄어든다. (위 그림의 빨간 원판의 부피이다.) 이 양은 같은 시간 동안 구멍으로 흘러나간 수은의 양과 같아야 한다. 구멍에서 나오는 수은은 원기둥 모양이다. 이 원기둥의 반지름은 구멍의 반지름인 121 피트이고, 길이는 수은이 dt 초 동안 이동한 거리인 v(t)dt 피트이다. 따라서 흘러나간 수은의 부피는
π(121)2vdt=π(121)22ghdt 이다.
이로부터 변수분리형 미분방정식을 얻는다.
Suppose that at time t, the mercury in the tank has height h, which is
between 0 and 12 feet.
At that time, the top surface of the mercury
forms a circular disk of radius 62−(h−6)2. (We found this by applying the Pythagorean Theorem to the triangle in the diagram above. In the diagram, h is shown as being larger than 6, but the same equation holds for all h in [0,12].)
Now suppose that in a very short time interval dt, the height
of mercury in the tank changes by dh (which is negative). Then in this
time interval the amount of the mercury in the tank decreases by
−π(62−(h−6)2)2dh. (That's the volume of the
red disk in the figure above.) This must be the same as the amount of mercury
that flows through the hole in this time interval. The mercury comes out of the hole as a cylinder. Its radius is the radius of the hole, 121 foot, and its length is the distance the mercury travels in dt seconds, v(t)dt feet. So, the volume of escaped mercury is
π(121)2vdt=π(121)22ghdt.
This gives us a separable differential equation.
−π(62−(h−6)2)2dh−(36−(h2−12h+36))dh(h2−12h)dh(h3/2−12h1/2)dh∫(h3/2−12h1/2)dh5/2h5/2−123/2h3/2At time 0, the height is 12, so C=5/2125/2−123/2123/2=125/2(52−32)=−154125/2, which yields5/2h5/2−123/2h3/2We want to find the time t when the height is h=0.014412gtt=π(121)22ghdt=(121)22ghdt=14412ghdt=14412gdt=∫14412gdt=14412gt+C=14412gt−154125/2=14412gt−154125/2=154125/2=154×1442g125=38.4g124416≈2,394sec ≈0.665hr
Thus y=f(x) obeys the differential equation y′=(y−1)(y−2).
(c) If y=1,2,
dxdy(y−1)(y−2)dy∫(y−1)(y−2)dyUsing the method of partial fractions,∫(y−21−y−11)dylog∣y−2∣−log∣y−1∣logy−1y−2 Observe that dxdy=(y−1)(y−2)>0 for all y≥2. That is, f(x) is increasing at all x for which f(x)>2. As f(0)=3, f(x) increases for all x≥0, and f(x)≥3 for all x≥0. So we may drop the absolute value signs.logf(x)−1f(x)−2f(x)−1f(x)−2 At x=0, f(x)−1f(x)−2=21 so eC=21.f(x)−1f(x)−22f(x)−4[2−ex]f(x)f(x)=(y−1)(y−2)=dx=∫dx=∫dx=x+C=x+C=x+C=eCex=21ex=[f(x)−1]ex=4−ex=2−ex4−ex
높이가 2 m인 물탱크를 반지름이 r=yp 인 원형 단면을 가지도록 만들려고 합니다. 여기서 y 는 탱크 바닥으로부터 잰 수직 거리이고, p 는 정해야 하는 양의 상수입니다. 탱크의 물이 빠질 때 토리첼리의 법칙을 따른다고 가정해도 좋습니다. 즉,
A(y)dtdy=−cy
이며, 여기서 c 는 어떤 상수이고 A(y) 는 높이 y 에서의 탱크의 단면의 넓이입니다. 탱크의 윗부분 절반
(y=2 에서 y=1 까지)이 물이 빠지는 데 걸리는 시간이 아랫부분 절반(y=1 에서 y=0 까지)이 물이 빠지는 데 걸리는 시간과 정확히 같도록 탱크를 만들려고 합니다. 탱크가 이 성질을 갖도록 p 의 값을 구하세요. 참고: 이 문제에서 c 를 구하는 것은 불가능하며 필요하지도 않습니다.
영어 원문 보기
A tank 2 m tall is to be made with circular cross–sections
with radius r=yp. Here y measures the vertical distance from
the bottom of the tank and p is a positive constant to be
determined. You may assume that when the tank drains, it obeys
Torricelli's law, that is
A(y)dtdy=−cy
for some constant c where A(y) is the cross–sectional area of the
tank at height y. It is desired that the tank be constructed so
that the top half
(y=2 to y=1) takes exactly the same amount of time to drain as the
bottom half (y=1 to y=0). Determine the value of p so that the tank
has this property. Note: it is not possible or necessary to find
c for this question.
답 쓰고 채점
정답·풀이 보기
시각 t (예를 들어 정오부터 시작하여 시간 단위로 잰다)에 탱크 안 물의 높이가 y 이고, 이 값은 0 m와 2 m 사이라고 하자. 이때 물의 윗면은 반지름이 r=yp 인 원판을 이루고 그 넓이는 A(y)=πy2p 이다.
따라서 토리첼리의 법칙에 의해
πy2pdtdy−cπ⋅y2p−21dy∫−cπ⋅y2p−21dy−cπ⋅2p+21y2p+21+dfor some constant d. At time t=0, the height is y=2, so d=cπ⋅2p+2122p+21 .t=−cy=dt=∫dt=t=cπ(2p+2122p+21−2p+21y2p+21)=c(2p+21)π(22p+21−y2p+21)
높이가 1 이 되는 시각은 이 식에 y=1 을 대입하여 얻고, 높이가 0 이 되는 시각은 이 식에 y=0 을 대입하여 얻는다. 따라서 윗부분 절반(y=2 에서 y=1 까지)이 물이 빠지는 데 걸리는 시간이 아랫부분 절반(y=1 에서 y=0 까지)이 걸리는 시간과 정확히 같다는 조건은 다음과 같다.
Suppose that at time t (measured in hours starting at, say, noon),
the water in the tank has height y, which is
between 0 and 2 metres. At that time, the top surface of the water
forms a circular disk of radius r=yp and area A(y)=πy2p.
Thus, by Torricelli's law,
πy2pdtdy−cπ⋅y2p−21dy∫−cπ⋅y2p−21dy−cπ⋅2p+21y2p+21+dfor some constant d. At time t=0, the height is y=2, so d=cπ⋅2p+2122p+21 .t=−cy=dt=∫dt=t=cπ(2p+2122p+21−2p+21y2p+21)=c(2p+21)π(22p+21−y2p+21)
The time at which the height is 1 is obtained by subbing y=1 into this
formula. The time at which the height is 0 is obtained by subbing y=0
into this formula. Thus the condition that the top half
(y=2 to y=1) takes exactly the same amount of time to drain as the
bottom half (y=1 to y=0) is:
We start by antidifferentiating both sides with respect to x.
∫(dx2d2y)dxThe right integral is in exactly the form we would use for a change of variables (substitution) to y.dxdyWhen y=1, dxdy=3.3CSo,dxdy This is a separable differential equation. dxdy4y2−1y2dy∫4y2−1y2dy=∫(y32⋅dxdy)dx=∫(y32)dy=−y21+C=−11+C=4=−y21+4=y24y2−1=dx=∫dx(∗)
We can evaluate the left integral with partial fractions, but because the numerator has the same degree as the denominator, we have to simplify first. We do this by inspection, but you can also use long division.
We can check our answer by differentiating with respect to x.
x4xdxd{4x}44dxdyDifferentiating with respect to x again, using the chain rule,dx2d2y=41(y−1+41log2y+12y−1)=y−1+41log∣2y−1∣−41log∣2y+1∣=dxd{y−1+41log∣2y−1∣−41log∣2y+1∣}=dxdy+41⋅2y−12dxdy−41⋅2y+12dxdy=dxdy(1+2y−11/2−2y+11/2)=dxdy(4y2−14y2)=y24y2−1=4−y21=y32⋅dxdy(∗∗)
This is exactly the differential equation we were meant to solve.