Differensiallikning for bensintank med lekkasje

Del 2, alle hjelpemidler

Differensiallikning for bensintank med lekkasje

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

Sverre har en gammel bil. Når han kjører med jevn fart, bruker motoren 0,70 liter bensin per mil. Bilen har dessverre en liten lekkasje i bensintanken. Dette gjør at når han kjører med jevn fart, vil antall liter bensin som lekker ut av tanken per mil, være proporsjonal med antall liter bensin på tanken. Proporsjonalitetskonstanten er 0,01.

Sverre skal på langtur og fyller opp tanken. Den rommer 60 liter. La V(x) være antall liter bensin han har igjen på tanken etter at han har kjørt x mil med jevn fart.

Hjelpemiddelkrav: For hånd

Begrunn at differensiallikningen

V′=−0,70−0,01⋅V,V(0)=60

kan brukes til å bestemme et uttrykk for V(x).

Hjelpemiddelkrav: For hånd

Løs differensiallikningen.

Hjelpemiddelkrav: Kalkulator

Hvor mye bensin er det på tanken etter at han har kjørt 40 mil?

Hjelpemiddelkrav: Kalkulator

Hvor langt kan han maksimalt kjøre før tanken er tom? Hvor mye bensin har da forsvunnet på grunn av lekkasjen?

Neste gang Sverre skal på langtur, tenker han at det kan være lurt å fylle tanken opp til bare 30 liter og så på nytt fylle opp til 30 liter etter 20 mil.

Hjelpemiddelkrav: Kalkulator

Hvor mye bensin vil han bruke dersom han kjører 40 mil?

Fasit

Se begrunnelse i løsningsforslaget.

V(x)=130⋅e−0,01x−70

V(40)≈17,14liter

x≈61,90mil,lekkasjetap≈16,67liter

≈36,25liter

LøsningsforslagKI-generert

Endringen i mengde bensin per mil, V′(x), består av to bidrag:

  • Kjøreforbruk: motoren bruker 0,70 liter per mil uansett hvor mye bensin som er igjen på tanken. Dette gir bidraget −0,70 (negativt, siden mengden bensin minker).
  • Lekkasje: lekkasjen per mil er proporsjonal med mengden bensin V som er på tanken, med proporsjonalitetskonstant 0,01. Dette gir bidraget −0,01⋅V (negativt av samme grunn).

Til sammen gir dette

V′(x)=−0,70−0,01⋅V(x)

Siden tanken er full (60 liter) idet han starter kjøreturen (x=0), er startbetingelsen V(0)=60.

Vi løser differensiallikningen ved separasjon av de variable. Siden −0,70−0,01V=−0,01(V+70), kan vi skrive

dVdx=−0,01(V+70)
1V+70dV=−0,01dx

Integrasjon på begge sider (bekreftet i GeoGebra CAS, se skjermbilde linje 1–2):

∫1V+70dV=∫−0,01dx
ln⁡|V+70|=−0,01x+C
V+70=A⋅e−0,01x,A=eC
V(x)=A⋅e−0,01x−70

Startbetingelsen V(0)=60 gir A−70=60, altså A=130. Dermed

V(x)=130⋅e−0,01x−70

I GeoGebra CAS (skjermbildet, linje 3–4) er dette uttrykket definert og satt inn i differensiallikningen; forenklingen viser at V′(x)+0,70+0,01⋅V(x)=0 (faktoren ln⁡(e)−1=0), som bekrefter at løsningen stemmer.

CAS-utregning for bensintank med lekkasje

Vi setter x=40 inn i uttrykket for V(x) (CAS, skjermbildet linje 5):

V(40)=130⋅e−0,01⋅40−70=130⋅e−0,4−70≈17,14

Etter 40 mil er det altså igjen

V(40)≈17,14liter

bensin på tanken.

Tanken er tom når V(x)=0. I CAS (skjermbildet, linje 6) løses dette til

x=100ln⁡(13)−100ln⁡(7)ln⁡(e)=100⋅ln⁡(137)≈61,90

Han kan altså maksimalt kjøre

x≈61,90mil

før tanken er tom.

Siden hele tanken (60 liter) er brukt opp når han har kjørt denne strekningen, kan vi finne hvor mye som har gått med til rent kjøreforbruk:

0,70⋅61,90≈43,33liter

Resten av bensinen har forsvunnet på grunn av lekkasjen:

60−43,33≈16,67liter

Altså har

ca. 16,67liter

bensin lekket ut av tanken.

Med den nye strategien fyller Sverre først 30 liter, kjører 20 mil, fyller opp til 30 liter igjen, og kjører videre 20 mil (totalt 40 mil).

Løsningen av differensiallikningen har samme form som i b), men med ny startbetingelse W(0)=30: A=30+70=100, altså (CAS, skjermbildet linje 7)

W(x)=100⋅e−0,01x−70

Fordi startbetingelsen er den samme (30 liter) på begge 20-mils-strekningene, blir bensinnivået etter hver strekning likt (CAS, skjermbildet linje 8):

W(20)=100⋅e−0,2−70≈11,87
  • Første strekning: bruker 30−W(20)≈18,13 liter, og fyller på like mye ved 20-mils-punktet for å komme tilbake til 30 liter.
  • Andre strekning: bruker igjen 30−W(20)≈18,13 liter, og ender med W(20)≈11,87 liter igjen på tanken.

Totalt bensinforbruk over de 40 milene (CAS, skjermbildet linje 9):

2⋅(30−W(20))=60−2⋅W(20)≈36,25

Med denne fyllingsstrategien bruker Sverre altså

≈36,25liter

bensin på de 40 milene — mindre enn med full tank (60−V(40)≈42,86 liter), siden lekkasjen er mindre når nivået i tanken holdes lavere.

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