ps1 – solutions – 2014

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PS1 – Solutions – 2013 1a) ! ! !! sub u = x –a ! ! = + ! = + ! du = dx 1b) !!! Integration by parts u = x and dv = e 2x dx du = dx v= !! !!! ! !! ! !!! !! ! !!! !! ! !!! ! ! !!! +C1 !! ! !!! (2 + 1 )+C1 1c) sin = ! ! cos + ! 1d) ! ! ! ! ! ! = ! !!! + ! !!! A= ! !! and B = !! !! 1 2 + = ! !! + + ! = ! !! !" ! !! !" ! !! + ! 1e) ! ! ! !!! !! = ! (!!!)(!!!) = ! !!! + ! !!! A = 1; B = 1 !! !!! + ! !!! = !" ! !! !" ! !! + !

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Page 1: PS1 – Solutions – 2014

PS1  –  Solutions  –  2013    1a)   !

!!!𝑑𝑥    sub  u  =  x  –a       !

!𝑑𝑢 = 𝑙𝑛 𝑢 + 𝐶! =  𝑙𝑛 𝑥 − 𝑎 + 𝐶!  

                   du  =  dx    1b)   𝑥𝑒!!!  𝑑𝑥     Integration  by  parts  𝑢𝑣 − 𝑣𝑑𝑢    u  =  x  and  dv  =  e-­‐2xdx                                      du  =  dx                  v  =  !!

!!!

!  

!!!𝑥𝑒!!! − !!

!𝑒!!!𝑑𝑥    !!

!𝑥𝑒!!!-­‐!

!𝑒!!!+C1    !!

!𝑒!!!(2𝑥 + 1)+C1  

 

1c)   sin𝑤𝑥 𝑑𝑥 =  -­‐!!cos𝑤𝑥  + 𝐶!  

 1d)   !

!!!!!𝑑𝑥  =   !

!!!𝑑𝑥 +   !

!!!𝑑𝑥      A  =   !

!!  and  B  =  !!

!!  

 12𝑎

𝐴𝑥 − 𝑎 𝑑𝑥 −  

𝐵𝑥 + 𝑎 𝑑𝑥  

= !!!𝑙𝑛 𝑥 − 𝑎 −  𝑙𝑛 𝑥 + 𝑎 + 𝐶!  =  

!!!

!" !!!!" !!!

 + 𝐶!    1e)   !

!!!!!!!𝑑𝑥    =   !

(!!!)(!!!)𝑑𝑥  =   !

!!!𝑑𝑥 +   !

!!!𝑑𝑥    A  =  -­‐1;  B  =  1  

 !!!!!

𝑑𝑥 +   !!!!

𝑑𝑥  =  !" !!!!" !!!

 + 𝐶!                                            

Page 2: PS1 – Solutions – 2014

2a)   !!"𝑒!!!  =  -­‐2𝑒!!!  

 2b)   !

!"!

!!!  =   !!

(!!!)!  

 2c)   !

!"(𝑡 𝑥 )!  =   !

!"(𝑡)! !"

!"  =  3𝑡! !"

!"  =  3𝑡! !

! !cos 𝑥 − 𝑒!!  =  

3(sin 𝑥 + 𝑒!!)! !! !

cos 𝑥 − 𝑒!!    2d)   !

!"!(!)!(!)

 Quotient  Rule  =  !!!!!!!!!

   2e)   !

!"!(!)

(! ! )!  (same  as  above)  =  !

!!!!!!!!!!!

 =  !!!!!!!!!!

   2f)   !

!"𝑞 𝜆 𝑑𝜆!(!)

!(!)    Step  1:  Split  up       !

!"𝑞 𝜆 𝑑𝜆!

!(!) +   !!"

𝑞 𝜆 𝑑𝜆!(!)!  

 Step  2:  Recall  the  2nd  Fundamental  Theorem  of  Calculus  (FToC)  that  says:      

!!"

𝑞 𝜆 𝑑𝜆 =  𝑞(𝑥)!!    

This  is  similar  to  what  we  have  above  in  step  1:    Step  3:  Get  Step  1  in  the  form  of  Step  2  to  use  2nd  FToC    Take  the  first  term  in  Step  1,  and  let  h  =   𝑞 𝜆 𝑑𝜆!

!(!)  so  the  first  term  is  !!!"  

Step  4:  We  know  that  !!!"=   !!

!"!"!"    we  need  to  find  !!

!"  

!!"

𝑞 𝜆 𝑑𝜆 =  −!!(!)

!!"

𝑞 𝜆 𝑑𝜆   =  −𝑞(𝑔 𝑥 )!(!)!  if  we  take  a  =  0  

 so  !!

!"=  −𝑞 𝑔 𝑥 !"(!)

!"  for  the  first  term  

 Step  5:  We  can  do  the  same  for  the  second  term  in  Step  1,  this  gives  us  a  final  answer:    !!"

𝑞 𝜆 𝑑𝜆!(!)!(!)  =  𝑞 𝑓 𝑥 !"(!)

!"− 𝑞 𝑔 𝑥 !"(!)

!"  

       

Page 3: PS1 – Solutions – 2014

3.  a)  Derive  the  differential  equation  describing  the  system.    Step  1:  We  care  about  [S],  so  determine  the  rate  of  reaction  that  you  want  to  use  in  the  stuff  equation  wrt  [S]:    2S  +  B    D  so,  rD  =  ![!]!"

= 𝑘[𝑆]! =  !!!![!]!"    ![!]

!" !"#= 2𝑘[𝑆]!  

 From  now  on,  we  can  leave  out  the  brackets  on  [S]  and  just  call  it  S.    Step  2:  Use  the  stuff  equation  to  model  the  reactor  (the  CV):    

   The  stuff  we  are  concerned  with  is  the  amount  of  S  in  the  CV.  There  is  no  S  produced  in  the  CV,  just  consumed  by  reaction.  We  can  also  assume  that  the  reactor  is  well-­‐mixed  so  the  [S]  leaving  the  CV  is  the  same  as  the  [S]  in  the  CV.  The  stuff  equation  for  this  CV  is  as  follows:    𝑉 !!!

!"= 𝑄!𝑆! − 𝑄!𝑆! − 2𝑘𝑉𝑆!!  where  S1  is  the  concentration  of  S  coming  in  and  St  is  

the  concentration  of  S  at  any  time  in  the  CV.    Re-­‐arranging  and  substituting  we  can  isolate  for  !!!

!":  

𝑑𝑆!𝑑𝑡 =

𝑄!𝑆!𝑉 −

(𝑄! + 𝑄!)𝑆!𝑉 − 2𝑘𝑆!!  

 b)  Solve  for  SSS    at  SS,  !!!

!"= 0  so:  

0 = !!!!!− (!!!!!)!!

!− 2𝑘𝑆!!  and  rearrange  for  St2  to  get  a  quadratic:  

 

𝑆!! +(𝑄! + 𝑄!)𝑆!

2𝑘𝑉 −𝑄!𝑆!2𝑘𝑉 = 0  

 Input  values  and  solve  the  quadratic  using  the  quadratic  equation:    St,1,SS  =    0.122  mol/L                  and  St,2,SS  =  -­‐0.324  mol/L    One  is  an  extraneous  root  because  a  concentration  can’t  be  negative,  so:    St,SS  =0.122  mol/L    

Page 4: PS1 – Solutions – 2014

4.    Equation   ODE  /  

PDE  Order   Linear  /  

Nonlinear  

a) ( )2

22

d yx sin(x) ydx

= ⋅  ODE   2   L  

b) x xx yy 'xe y ''' e ye

− −−+ = −   ODE   3   NL  

c)    PDE   2   NL  

d) ( )2

22

d y d dycos(y)sin(y) 2sin (y)dx dx dx

− =   ODE   2   L  

e)  

( )3 2

2 2 xy2 2

U U U(x y ) e Usin(x y)x x y y x∂ ∂ ∂ ∂

+ + + = +∂ ∂ ∂ ∂ ∂

 

PDE   3   L  

 Explanations:    4a)  !

!!!!!

𝑦𝑥! = sin 𝑥 𝑦     y  is  the  function  expand  the  first  term:  𝑑𝑑𝑥

𝑑𝑦𝑑𝑥 𝑥

! +𝑑(𝑥!)𝑑𝑥 𝑦 = sin 𝑥 𝑦  

carry  through  the  outer  derivative:    !!!!!!

𝑥! + 4 !"!"𝑥 + 2𝑦 = sin 𝑥 𝑦    This  is  linear  wrt  y  

 4b)  make  ex-­‐y  =  ex/ey  so  that  the  e-­‐x  in  the  first  two  terms  cancels  out  leaving  you  with:  𝑥𝑒!𝑦!!! + 𝑦𝑒! = −𝑦!  First  and  second  terms  are  non  linear  wrt  y    4c)  The  function  is  u,  so  the  u2  term  in  the  second  term  makes  it  non-­‐linear  wrt  u    4d)  !

!!!!!

− !!"(cos𝑦 sin𝑦) = 2 sin! 𝑦 !"

!"  sub  in  for  cos(y)  sin(y)  =  1/2sin(2y)  

𝑦!! −12𝑑𝑑𝑥 (sin 2𝑦) =   2 sin

! 𝑦𝑦′  𝑦!! − cos 2𝑦𝑦′ = 2 sin! 𝑦𝑦′                    let  2sin2y  =  1-­‐cos2y    𝑦!! − cos 2𝑦𝑦′ = 1− cos 2𝑦 𝑦′  cancel  out  (-­‐cos2yy’)  and  you  get    y’’  –  y’  =  0        Which  is  linear  wrt  y    

4e)   ( )3 2

2 2 xy2 2

U U U(x y ) e Usin(x y)x x y y x∂ ∂ ∂ ∂

+ + + = +∂ ∂ ∂ ∂ ∂

 all  terms  are  LINEAR  wrt  U