例題集

多段CSTRの微分方程式の解に関する漸化式

知識・記憶レベル   難易度:
 $N$個のCSTRを直列に配置し、初めに水を満たした状態から、 ある時間に1段目の入り口から$C_{A,\,0}$のモル濃度を持つ溶液を 連続的に供給させると、 $i$段目のモル濃度$C_{A,\,i}$は、 $\theta$を無次元時間とするとき、微分方程式 \begin{align*} \frac{dC_{A,\,i}}{d\theta} =NC_{A,\, i-1}-NC_{A,\, i} \end{align*} で表される.  この微分方程式の解$C_{A,\,i}$は、漸化式 \[C_{A,\, i}=N\exp(-N\theta)\times \int_0^{\theta}C_{A,\, i-1}\exp(N\theta)d\theta\] を満たすことを示せ。
{\bf 方針} \begin{enumerate} \item 1階線形微分方程式 \[\frac{dx}{dt}+P(t)x=Q(t)\] の解は、 \[x(t)=e^{-\int P\,dt}\cdot \left(\int Q(t)e^{\int P\,dt}\,dt+\rm const \right)\] である。 \end{enumerate} {\bf 解答} 与えられた微分方程式は、 \begin{equation} \frac{dC_{A,\,i}}{d\theta}+NC_{A,\, i}=NC_{A,\, i-1} \end{equation} となり、1階線形微分方程式である. したがって、解の公式により、 \[C_{A,\,i}=\exp(-N\theta)\times \left(\int_0^{\theta}NC_{A,\,i-1}\exp(N\theta)\,d\theta+\rm const\right)\] となる.初期条件より$\theta=0$のとき$C_{A,\, i}=0$であるから、 \[C_{A,\,i}(0)=e^{0}\cdot \rm const=0  すなわち  \rm const=0\] である.したがって、 \begin{equation} C_{A,\, i}=N\exp(-N\theta)\times \int_0^{\theta}C_{A,\, i-1}\exp(N\theta)d\theta \end{equation} が成り立つ。