math ia word doc - shloka shetty · ! 178! 16593224·"!sin"100"5" + 25" !!...

16
1 Mathematics HL Internal Assessment, Shloka Shetty Examining the Increase in Carbon Dioxide Levels In India(20012010) using Statistics and Calculus Shloka Shetty, Dhirubhai Ambani International School Math HL Internal Assessment Abstract India, being the third-highest emitter of CO2 in the world, has experienced the harmful consequences of rising carbon dioxide levels, primarily during the last decade between 2001 and 2010, which has been reported to be the warmest for India. In this Internal Assessment, I aim to deduce a function for CO2 levels in India(2001-10), examine this function, and mathematically analyze the rate of change of CO2 levels between 2001 and 2010. In order to find a function for atmospheric CO2 levels in India, I will be using a first order linear ODE, which expresses the derivative of CO2 levels in India(2001-10) in terms of the difference between the derivatives of CO2 absorption and emission in India(2001-10). . Upon solving this ODE, I will deduce a function, C(t), of CO2 level in India with respect to time. I will then model this function and examine it for the years 2001-10.

Upload: others

Post on 02-Oct-2020

2 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Math IA word doc - Shloka Shetty · ! 178! 16593224·"!sin"100"5" + 25" !! 186174279" 100"!=! 17" 8" 16593224sin"100−"5+" 186174279" 25" 100" ="16593224·"cos"1005" "1005"+0" 25"

1  

Mathematics  HL  Internal  Assessment,  Shloka  Shetty  

Examining  the  Increase  in  Carbon  Dioxide  Levels  In  India(2001-­‐2010)  using  Statistics  and  Calculus  

Shloka  Shetty,  Dhirubhai  Ambani  International  School  

Math  HL  Internal  Assessment  

Abstract

India,  being  the  third-highest  emitter  of  CO2  in  the  world,  has  experienced  the  harmful  consequences  of  rising  carbon  dioxide  levels,  primarily  during  the  last  decade  between  2001  and  2010,  which  has  been  reported  to  be  the  warmest  for  India.  In  this  Internal  Assessment,  I  aim  to  deduce  a  function  for  CO2  levels  in  India(2001-10),  examine  this  function,  and  mathematically  analyze  the  rate  of  change  of  CO2  levels  between  2001  and  2010.  In  order  to  find  a  function  for  atmospheric  CO2  levels  in  India,  I  will  be  using  a  first  order  linear  ODE,  which  expresses  the  derivative  of  CO2  levels  in  India(2001-10)  in  terms  of  the  difference  between  the  derivatives  of  CO2  absorption  and  emission  in  India(2001-10).  .  Upon  solving  this  ODE,  I  will  deduce  a  function,  C(t),  of  CO2  level  in  India  with  respect  to  time.  I  will  then  model  this  function  and  examine  it  for  the  years  2001-10.  

Page 2: Math IA word doc - Shloka Shetty · ! 178! 16593224·"!sin"100"5" + 25" !! 186174279" 100"!=! 17" 8" 16593224sin"100−"5+" 186174279" 25" 100" ="16593224·"cos"1005" "1005"+0" 25"

Mathematics  HL  Internal  Assessment    Shloka  Shetty  

Table  of  Contents  

Introduction  and  Rationale   3  Mathematical  Concepts  Used   3  Outline   3  Modelling  CO2  Emissions  in  India(2001-10)  and  Finding  its  First  Derivative   4  Function  for  Rate  of  Change  of  CO2  Absorption  in  India(2001-­‐-­‐-­‐10)   6  Deducing  the  First  Order  Linear  ODE  for  Rate  of  Change  of  CO2  Levels  in   6  India(2001-10)  Solving  the  First  Order  Linear  ODE  for  Rate  of  Change  of  CO2  Levels  in   8    India(2001-10)  Examining  the  Function  for  CO2  Levels  in  India(2001-10)   12  Conclusion   13  Evaluation   14  Bibliography   15  

Page  Count:  12  Pages(  From  Pages  3  to  14,  both  included)  

2  

Page 3: Math IA word doc - Shloka Shetty · ! 178! 16593224·"!sin"100"5" + 25" !! 186174279" 100"!=! 17" 8" 16593224sin"100−"5+" 186174279" 25" 100" ="16593224·"cos"1005" "1005"+0" 25"

Mathematics  HL  Internal  Assessment,  Shloka  Shetty  

Introduction  and  Rationale  

The  grave  effects  of  increasing  atmospheric  levels  of  carbon  dioxide  are  felt  by  all  living  beings.  Being  one  of  the  primary  greenhouse  gases,  its  most  profound  effect  is  global  warming.  Rising  temperatures  in  turn  have  innumerable  health  and  environmental  effects  such  as  rising  sea  levels,  increased  spread  of  diseases,  agricultural  adversity  and  damage  of  the  ozone  layer.  India  in  particular,  being  the  third-highest  emitter  of  CO2  in  the  world,  has  experienced  the  harmful  consequences  of  rising  carbon  dioxide  levels,  primarily  during  the  last  decade  between  2001  and  2010,  which  has  been  reported  to  be  the  warmest  for  India,  and  for  the  rest  of  the  world.  1  

Having  such  profound  and  wide-ranging  effects  on  the  country  I  live  in,  I  was  highly  intrigued  by  this  occurrence.  Therefore,  in  this  Internal  Assessment,  I  aim  to  deduce  a  function  for  CO2  levels  in  India(2001-10),  examine  this  function,  and  mathematically  analyze  the  rate  of  change  of  CO2  levels  between  2001  and  2010.  

Mathematical  Concepts  Utilised    The  primary  area  of  Statistics  that  I  will  be  using  in  this  Internal  Assessment  is  Mathematical  Modelling.  Specifically,  I  will  be  employing  Geogebra,  the  graphing  software  to  perform  Two  Variable  Regression  Analysis  to  statistically  model  CO2  emissions  (2001-10).  

Additionally,  I  will  be  using  both,  Differential  and  Integral  Calculus.  In  order  to  determine  the  function  for  CO2  levels,  I  will  also  be  using  first  order  linear  ordinary  differential  equations(ODE).  ODEs  are  widely  used  to  model  the  rates  of  change(i.e  how  a  particular  variable  changes  with  respect  to  time)  of  real-world  phenomena.  A  differential  equation  is  essentially  an  “equation  that  involves  the  derivatives  of  a  function  as  well  as  the  function  itself”2.  The  term  ‘ordinary’  implies  that  the  differential  equation  is  with  respect  to  only  one  independent  variable.  Also,  first  order  differential  equations  are  those  in  which  the  highest  degree  of  the  derivatives  present  is  1.  Further,  the  term  linear  means  that  the  dependent  variable  and  its  derivatives  are  of  the  first  power  only.  In  order  to  solve  this  first  order  linear  ODE,  I  will  be  using  the  technique  of  ‘Integration  by  Parts’.  I  have  learned  and  applied  the  concepts  of  ODEs  and  Integration  by  Parts  by  researching  independently,  as  we  have  not  yet  covered  these  concepts  in  our  IB  curriculum  of  Mathematics  HL.  

Outline    

The  primary  reason  for  rising  CO2  levels  during  a  given  time  period  is  that  CO2  emissions  are  higher  than  CO2  absorption  for  that  time  period.  Therefore,  the  annual  atmospheric  CO2  level  and  its  rate  of  change(derivative)  is  given  by  the  difference  between  their  annual  emission  and  absorption,  and  the  difference  between  the  rate  of  change(drivatives)  of  their  emission  and  absorptions  in  that  year,  respectively.  

In  order  to  find  a  function  for  atmospheric  CO2  levels  in  India,  I  will  be  using  a  first  order  linear  ODE,  which  expresses  the  derivative  of  CO2  levels  in  India(2001-10)  in  terms  of  the  difference  between  the  derivatives  of  CO2  absorption  and  emission  in  India(2001-10).  Therefore,  I  will  be  deducing  a  function  that  is  based  on  the  condition  for  rising  CO2  levels,  i.e.  as  long  as  the  rate  of  change  of  CO2  emissions  is  higher  than  the  rate  

1  "Why  India  Is  Getting  Hotter  by  the  Year."  Rediff.  Accessed  March  17,  2016.  http://www.rediff.com/news/special/why-india-is-    2  "Ordinary  Differential  Equation."  --from  Wolfram  MathWorld.  Accessed  March  22,  2016.    http://mathworld.wolfram.com/OrdinaryDifferentialEquation.html.    

3  

Page 4: Math IA word doc - Shloka Shetty · ! 178! 16593224·"!sin"100"5" + 25" !! 186174279" 100"!=! 17" 8" 16593224sin"100−"5+" 186174279" 25" 100" ="16593224·"cos"1005" "1005"+0" 25"

Mathematics  HL  Internal  Assessment    Shloka  Shetty  

of  change  of  CO2  absorptions  in  India,  the  rate  of  change  of  CO2  will  increase.  The  opposite  is  true  for  a  decrease  in  the  rate  of  change  of  CO2  levels.  

The  rate  of  change  of  CO2  emissions  in  India  will  be  calculated  by  modelling  a  function  of  CO2  emissions  in  India(2001-10)  using  collected  data,  and  then  differentiating  this  function.  The  rate  of  change  of  CO2  absorptions,  however,  has  already  been  modeled.  I  will  be  using  this  basic  model  due  to  the  lack  of  availability  of  CO2  absorption  data  on  the  internet,  perhaps  due  to  difficulty  in  measurement  of  CO2  absorption  by  various  sources(trees,  oceans  etc.).  The  model  for  the  rate  of  change  of  CO2  absorption  that  I  have  found  is  with  respect  to  the  level  of  atmospheric  CO2.  Therefore,  I  will  deduce  a  linear  ODE  of  the  rate  of  change  of  atmospheric  CO2  levels  in  India,  with  respect  to  atmospheric  CO2  levels  in  India.  Upon  solving  this  ODE,  I  will  deduce  a  function,  C(t),  of  CO2  level  in  India  with  respect  to  time.  I  will  then  model  this  function  and  examine  it  for  the  years  2001-10.  

Modelling  CO2    Emissions  in  India(2001-2010)    The  following  data  table  shows  CO2  emissions(kilotons)  in  India.  Only  emissions  between  2001  and  2010  have  been  used  due  to  limitations  in  availability  of  data  on  the  Internet.  Further,  the  values  include  CO2  released  from  the  fossil  fuel  combustion  and  cement  manufacturing.  It  does  not  include  CO2  released  during  respiration.  The  data  has  been  collected  from  the  World  Bank  Data  Catalog,  which  is  a  reliable  source  of  information.  

Figure  1:  Table  Showing  CO2  Emissions  (kt)  in  India  from  2001-103    Years    from  2000  

Mass  of  CO2  Emitted  (kt)  

1   1203843  2   1226791  3   1281914  4   1348525  5   1411128  6   1504365  7   1611199  8   1731075  9   1845820  10   1950950  

Using  GeoGebra  5,  a  function  of  CO2  emissions  with  repsect  to  time,  in  India  between  2001  and  2010  can  be  modelled.  In  order  to  do  this,  two  variable  regression  analysis  has  been  performed.  The  two  variables  here  are  CO2  emissions(kt)  and  time(years).  The  following  image  shows  the  modelled  function  for  CO2  emissions  in  India  between  2001  and  2010,  in  a  graphical  representation.  

3  "CO2  Emissions  (kt)."  CO2  Emissions  (kt).  Accessed  March  15,  2016.  http://data.worldbank.org/indicator/EN.ATM.CO2E.KT.    

4  

Page 5: Math IA word doc - Shloka Shetty · ! 178! 16593224·"!sin"100"5" + 25" !! 186174279" 100"!=! 17" 8" 16593224sin"100−"5+" 186174279" 25" 100" ="16593224·"cos"1005" "1005"+0" 25"

   

=  

  17  8  16593224   ·    s in  100  5  

+  25       186174279  

100  

  =  17   8  

16593224  sin  100  −  5  +  186174279  100  25  

16593224  ·  cos  =   100  5    100  5    +  0  

25  

1 7   8     1 7   8  

1 7   8   1 7    16593224  ·  cos  100  −  5  ·  100  

Mathematics  HL  Internal  Assessment,  Shloka  Shetty  

Figure  2:  Modelled  Graph  of  CO2  Emissions  (kt)  with  respect  to  Time  (years)  

The  equation  for  this  function  has  statistically  been  found  to  be  the  following:  

   =  1861742.79  +  663728.96sin    0.17  −  1.6  where  t  is  the  number  ofyears  from  2000,    and  E(t)  is  the  CO2  emission  in  India  during  that  year.  

As  can  be  seen  in  the  graph  above,  this  is  an  increasing  function  for  this  domain(time  interval).The  emissions  in  this  model  are  primarily  from  human  actions(i.e.  buring  of  fossil  fuels,  and  cement  manufacturing).  Therefore,  this  gives  insight  into  the  fact  that  by  curtainling  the  exploitation  of  resources,  we  can  significantly  reduce  CO2  emissions.  However,  it  is  important  to  note  that  this  is  an  approximate  model  for  CO2  emissions,  for  the  given  domain  of  time(2001-10).  

In  order  to  formulate  the  linear  ODE  of  atmospheric  CO2  levels  in  India(2001-10),  I  will  now  find  the  first  derivative  of  the  above  function.  The  derivative  of  E(t)  can  be  found  as  follows:  

=  25  

17   8    70521202  ·  cos  100  −  5  

=     625  Therefore,  having  found  the  derivative  of  CO2  Emissions  in  India  with  repsect  to  time(i.e.  the  rate  of  change  of  CO2  Emissions),  we  now  need  to  find  the  second  component  of  the  first  order  linear  ODE,  that  is,  the  equation  for  the  rate  of  change  of  CO2  absorptions  in  India.  

5  

Page 6: Math IA word doc - Shloka Shetty · ! 178! 16593224·"!sin"100"5" + 25" !! 186174279" 100"!=! 17" 8" 16593224sin"100−"5+" 186174279" 25" 100" ="16593224·"cos"1005" "1005"+0" 25"

=  26300(()  −  598000000)  

Mathematics  HL  Internal  Assessment    Shloka  Shetty  

Rate  of  Change  of  CO2    Absorption  in  India    For  the  aforementioned  purposes,  I  will  be  using  a  basic  pre-determined  model  for  the  rate  of  change  of  CO2  absorption  instead  of  using  data  to  model  the  equation.  The  equation  to  find  the  rate  of  change  of  CO2  absorption  in  any  given  year  is  the  following:  

 

=        −  598000000    Where  A  is  the  mass(kt)  of  the  CO2  absorbed  in  a  particular  year,  

t  is  the  time  in  years  from  2000,  C(t)  is  the  function  for  the  CO2  levels(kt)  with  respect  to  time(t),  598000000  is  the  universally  accepted  pre-­‐-­‐-­‐industrial  level  of  CO2(kt),  and  k  is  the  proportionality  constant,  which  varies  for  different  geographical  zones  

This  model  is  based  on  the  fact  that  the  rate  of  change  of  CO2  absorption  I  any  given  year  is  proportional  to  the  difference  between  the  atmospheric  CO2  level(kt)  in  that  year,  and  the  pre-industrial  level  of  atmospheric  CO2(kt).  

In  India,  the  proportionality  constant  has  been  emperically  calculated  as  26300  kilotons  of  CO2  /year.  4  

Therefore,  the  equation  for  the  rate  of  change  of  CO2  absorption  in  India,  with  respect  to  atmospheric  CO2  levels  in  a  particular  year  is  as  follows:  

!"  

! "  

While  this,  too  is  a  linear  differential  equation  of  order  1,  I  will  not  be  analysing  this  function  as  my  focus  is  on  the  rate  of  change  of  CO2  levels  in  India,  rather  than  that  of  its  emission  or  absorption.  

Deducing  the  First  Order  Linear  Differential  Equation  of  Rate  of  Change  of  CO2    Levels  in  India  

Having  found  the  expressions  for  rate  of  change  of  absorption  and  emission,  we  can  now  use  a  one-box  model5  to  deduce  the  ODE  for  atmospheric  CO2  levels  in  India.  This  model  describes  the  amount  (in  this  case,  mass)  of  an  atmospheric  species  X(in  this  case  CO2)  inside  a  box  representing  a  selected  atmospheric  domain  (in  this  case,  India).  This  amount  is  determined  by  the  flow  of  X  into  the  box  (Emissions  of  CO2)  and  out  of  the  box  (Absorption  of  CO2).  

Further,  this  model  describes  that  the  rate  of  change  of  X  in  the  specified  atmospheric  domain  is  the  difference  between  the  rate  of  change  of  its  flow  into  and  out  of  that  atmospheric  domain  within  the  given  time.  This  is  a  general  model  that  can  be  used  to  deduce  differential  equations  for  various  phenomena.  In  this  case,  I  will  be  using  it  to  model  the  atmospheric  CO2  level  in  India(2001-10)  using  the  already  determined  rates  of  change  of  its  emission  and  absorption.  

We  have  already  modeled  and  calculated  the  equation  for  the  rate  of  change  of  CO2  emissions  as:  

4  "Pollutant  Stock  and  Flow:  Reconstructing  CO2  Emissions."  Wisconsin  Education.  Accessed  March  18,  2016.  http://www.bibme.org/chicago/website-citation/new.    5  

6  

Page 7: Math IA word doc - Shloka Shetty · ! 178! 16593224·"!sin"100"5" + 25" !! 186174279" 100"!=! 17" 8" 16593224sin"100−"5+" 186174279" 25" 100" ="16593224·"cos"1005" "1005"+0" 25"

Mathematics  HL  Internal  Assessment,  Shloka  Shetty  

17   8    70521202   ·   COS  100  −  5  

=     625  

!"  where  !"   is  the  rate  of  change  of  CO2  emissions  in  India,   and  t  is  the  time(number  ofyears  after  2000).  This  is  the  rate  of  change  of  the  inflow  of  CO2  into  the  Indian  atmosphere.  

Also,   we   have   found   that   the  equation   for   the   rate   of   change  of  CO2  absorptions  is  as  follows:  

 =  26300      −  598000000  

 Where  A  is  the  mass(kt)  of  the  CO2  absorbed  in  a  particular  year,  t  is  the  time  in  years  from  2000,  C(t)  is  the  function  for  the  CO2  levels(kt)  with  respect  to  time(t),  598000000  is  the  pre-­‐-­‐-­‐industrial  level  of  CO2(kt),  and  26300  is  the  proportionality  constant  for  India.  

This  is  the  rate  of  change  of  the  outflow  of  CO2  into  the  Indian  atmosphere.  Therefore,  using  the  one-box  model,  the  rate  of  change  of  CO2  levels  in  the  Indian  atmosphere  is  as  follows:  

     =        

!"  where  !"   is  the  rate  of  change  of  CO2  levels  in  the  Indian  atmosphere,  

!"  !"  !"  !"  

is  the  rate  of  change  of  the  inflow(i.e.  emission)  of  CO2  into  the  Indian  atmosphere,  and  is  the  the  rate  of  change  of  the  outflow(i.e.  absorption)  of  CO2  into  the  Indian  atmosphere.  

This  equation  implies  that  as  long  as  the  difference  between  the  rate  of  change  of  CO2  emission  and  CO2  absorption  is  increasing,  the  rate  of  change  of  atmospheric  CO2  levels  will  also  be  increasing.  This  is  assuming  that  CO2  emissions  is  always  greater  than  CO2  absorption,  which  in  India,  has  been  true  since  19006,  according  to  a  study  by  the  Ministry  of  Environment,  Forests  and  Climate  Change  in  2013.  This  study  also  states  the  rate  of  CO2  emissions  and  absorption  in  India  is  increasing  since  1980.  This  ODE  therefore  implies  that  as  long  as  the  difference  between  the  rates  of  increase  of  CO2  emissions  and  CO2  absorptions  is  increasing,  the  rate  of  change  of  atmospheric  CO2  levels  will  also  be  increasing.  Therefore,  this  ODE  lends  insight  into  how  the  rate  of  change  of  CO2  levels  can  decrease  if  society  makes  an  effort  to  slow  down  the  rate  of  increase  of  CO2  emissions  and  accelerate  the  rate  of  increase  of  CO2  absorptions.  Therefore,  this  ODE  can  be  used  to  analyse  the  rate  of  change  of  CO2  levels  in  India(2001-10),  and  can  also  be  used  to  model  a  function  for  CO2  levels  in  India(2001-10),  as  will  be  done  below.Upon  differentiating  this  function,  the  rate  of  change  of  CO2  levels  will  be  determined  and  linked  back  to  this  ODE.  

Now,  to  deduce  the  ODE  for  the  rate  of  change  of  CO2  levels  in  India(2001-10),  we  need  to  substitute  the  already  deduced  expressions  for  the  rates  of  change  of  CO2  emissions  and  absorptions,  as  follows:  

Page 8: Math IA word doc - Shloka Shetty · ! 178! 16593224·"!sin"100"5" + 25" !! 186174279" 100"!=! 17" 8" 16593224sin"100−"5+" 186174279" 25" 100" ="16593224·"cos"1005" "1005"+0" 25"

1 7   8     70521202  ·  cos  100  −  5  

=  

  625  

26300      −  598000000  

7  

6  "Atmospheric  Concentrations  of  Fossil  Fuels."  Ministry  of  Environment,  Forest  and  Climate  Change  Government  of  India.  Accessed  March  20,  2016.  http://www.moef.nic.in/keywords.    

Page 9: Math IA word doc - Shloka Shetty · ! 178! 16593224·"!sin"100"5" + 25" !! 186174279" 100"!=! 17" 8" 16593224sin"100−"5+" 186174279" 25" 100" ="16593224·"cos"1005" "1005"+0" 25"

17   8  70521202  ·  cos  100  −  5  +  15727400000000  

625  

   ___________    +  26300    =    

17   8  70521202  cos  100  −  5  +  15727400000000  

625  

  =  

  ∙   !"#$$!  +  26300       ∙   !"#$$!  =    

17   8  

70521202cos  100  −  5  +  15727400000000  ∙  !"#00!   625  

  ∙   !"#$$!  +  26300       ∙   !"#$$!  =    

17   8  

70521202cos  100  −  5  +  15727400000000  ∙  !"#00!   625  

   

 __  ∙  !"#$$!  +  26300      ∙  !"#$$!  =    ______________________        ·  !"!""#      

∴  

Mathematics  HL  Internal  Assessment  Shloka  Shetty  

On  further  simplification,  we  have:  

We  now  satisfy  the  condition  of  a  differential  equation  which  is  an  “equation  that  involves  the  derivative  ( !"    !")  of  a  function  as  well  as  the  function  itself  (())”7.Additionally,  since  the  equation  involves  only  first  derivatives  and  the  power  of  dependent  variable  (()),  and  its  derivative  (!"    

!")  is  1,  this  is  a  first  order,  linear  ODE.  

Solving  the  First  Order  Linear  Differential  Equation:    This  equation  follows  the  general  form  of  a  first  order  linear  ODE,  which  is:    

+        =        In  this  case,    =   ,  ( )  =   ( ) ,  

   =  26300  and ,  

In  order  to  solve  any  ODE  of  this  form,  its  Integrating  Factor(I(t)),  needs  to  be  found.  The  Integrating  Factor  for  the  above  general  equation  for  an  ODE  is:  

( )  =     !   !   ! "  s ince      =  26300  I(t)  for  the  differential  equation  of  atmospheric  CO2  levels  in  India  is  as  follows:  

()  =       ! " # 0 0 ! "  Upon  Integrating,  we  have,  

()  =   !"#$$!  I(t)  now  needs  to  be  multiplied  throughout  the  above  mentioned  ODE  of  atmospheric  CO2  levels  in  India  with  respect  to  time,  in  order  to  make  it  integrable,  as  follows.  

The  LHS  can  be  simplified  by  equating  its  terms  to  those  of  the  product  rule.  

7  "Ordinary  Differential  Equation."  --from  Wolfram  MathWorld.  Accessed  March  22,  2016.  http://mathworld.wolfram.com/OrdinaryDifferentialEquation.html.    

8  

Page 10: Math IA word doc - Shloka Shetty · ! 178! 16593224·"!sin"100"5" + 25" !! 186174279" 100"!=! 17" 8" 16593224sin"100−"5+" 186174279" 25" 100" ="16593224·"cos"1005" "1005"+0" 25"

We  now  have,     ·  !"#$$%  =    

17   8  

70521202cos  100  −  5  +  15727400000000  ∙  !"#$$!  

625  

17   8  70521202cos  100  −  5  +  15727400000000  ∙  !"#$$!  625  

∴    ·  !"#°°%  =  

17   8  

70521202cos  100  −  5  +  15727400000000  ∙  !"#°°!     625  

2!"#$$!  35260601cos  17  −  160    100   +  4914812500000000    =  

625  

 =  35260601  cos  17  160  100  +  4914812500000000  

∴   ′  =  

160  599430217  sin  17  −  100  

100  

263$$t 35260601  cos  17  −  !"#  !00   +  4914812500000000    ∴   !  

!"#  

=  625  2  

26300t 35260601  cos  17  −  160    100  +  4914812500000000  

26300  

599430217  ·  263$$t sin  17  −  160    100     dt  

2630000  −  

9  

Mathematics  HL  Internal  Assessment,  Shloka  Shetty  

Integrating  the  RHS  **Throughout  the  process  of  integrating  the  RHS,  it  will  be  assumed  that  the  constant  of  integration(c)  is  0.  This  is  because  in  order  to  find  this  constant,  a  coordinate  of  the  function  C(t)  is  needed.  These  coordinates  are  not  yet  known,  as  the  function  C)t)will  only  be  determined  upon  solving  this  ODE.  This  will  be  taken  into  account  in  the  evaluation  of  this  IA.  

We  now  have,  

2   17  −  160      ·  !"#$$%  =    _____________  263$$t 35260601  cos    __________________    +  4914812500000000    625   100  

Integrating  by  Parts  using  the  following  formula:  

′   =   f g   −     ′  

We  have,  ′  =   ! " # $ $ !  

! " # $ $ !  ∴  =   26300  

Page 11: Math IA word doc - Shloka Shetty · ! 178! 16593224·"!sin"100"5" + 25" !! 186174279" 100"!=! 17" 8" 16593224sin"100−"5+" 186174279" 25" 100" ="16593224·"cos"1005" "1005"+0" 25"

=  625  2  

263$$ t 35260601  cos  17  −  160    100  +  4914812500000000  

26300  

599430217   17−  160  

263$$t sin    ___________________      2630000   100  

+  

17  −  160  !"#$$!  sin    _________________    dt  100  

Integrating  By  Parts,  we  have:   ′  =    −   ′  

Also,  

 =  sin   17  −  160   100  

∴   ′  =  

17  −  160  17cos   100  

100  

=  !"#$$!sin  17  −  160  

100  26300  

17!"#$$!cos  17  −  160    100     dt  2630000  

17  −  160  ∴   !"#$$!  sin    ________________    dt  100  

17263$$tcos  17  −  160  100  

17  −  160  17cos   100  

100  =  

1  0  

Mathematics  HL  Internal  Assessment  Shloka  Shetty  

Now  Solving:  

′  =   ! " # $ $  

!"#00  ∴  =   26300  

Now  Solving:  

=  2630000  

Integrating  by  Parts,  we  have:    !  =    –     !  

!  =  263$$ t  26300  

263$$ t  ∴  =  

Also,  

691690000  

Page 12: Math IA word doc - Shloka Shetty · ! 178! 16593224·"!sin"100"5" + 25" !! 186174279" 100"!=! 17" 8" 16593224sin"100−"5+" 186174279" 25" 100" ="16593224·"cos"1005" "1005"+0" 25"

∴  !  =  17−  160  

289  sin   100  1000  

=  

  =  

Mathematics  HL  Internal  Assessment,  Shloka  Shetty  

289   17  −  160  !"#$$!sin    ________________      

6916900000000   100    

Solving  for    we  have:  17!"#00cos  17  −  160  

10000  26300!"#00  sin  17  −  160   100    100   −   100  17  −  160  

 =  !"#$$!sin    __________________  100  ___________________________________________________________________________________    =    ________________________________  6916900000289  

=  625  2  

!"#$$!  35260601  cos  17  −  160    100  +  4914812500000000  

26300  

+  

11  

599430217   17−  160  !"#$$!  sin    ________________    dt  )  

2630000   100  

17!"#$$!cos  17  −  160  1 0 0    2630000  ∴  

17!"#$$!cos  17  −  160  100  =  

69169000000  289!"#$$!sin  17  −  160    100     dt  

6916900000000  

17  −  160  ∴   !"#$$!  sin    ______________  100    =  

e!"#$$!sin  17  −  160  100  

26300  

17!"#$$!cos  17  −  160    100  _________________________    +  

289!"#$$!sin  17  −  160    100     dt  6916900000000  69169000000  

!"#$$!sin  17  −  160  100  

26300  

17!"#$$!cos  17  −  160  100  

69169000000  

17−  160  If  we  take   !"#$$!sin  

100  _________      =    ,  we  have  

!"#$$!sin  17  −  160  100  

26300  

17!"#$$!cos  17  −  160  100  

69169000000  289  

6916900000000    

The  original  equation  was:      ·  !"#$$%  

Page 13: Math IA word doc - Shloka Shetty · ! 178! 16593224·"!sin"100"5" + 25" !! 186174279" 100"!=! 17" 8" 16593224sin"100−"5+" 186174279" 25" 100" ="16593224·"cos"1005" "1005"+0" 25"

   ·  !"#$$%  =    _________________________________________________________________________________      

! "#$$!  35260601  cos  17  −  160    100  +  4914812500000000  

+  821750  

On  simplifying  the  RHS,  we  have:  

  ·   ! " # $ $ !  

∴     =  

1  2  

Mathematics  HL  Internal  Assessment  Shloka  Shetty  

Having  found    ,  we  now  have,  

17!"#$$!cos  17  −  160  1198860434  26300263$$t sin  17  −  160   100    

100   −   100  

1136965437547504375  

17  −  160    

8  !"#$$!  599430217sin  17  −  160    100   +  92735380630000cos   100   +  12925956875540068750000  

=   172922500007225  

17−  160   17−  160    

8  599430217sin   100   +  92735380630000cos   100   +  12925956875540068750000  172922500007225  

Examining  the  Function  for  CO2    Levels(kt)  in  India(2001-10),  with  respect  to  Time    We  now  have  the  function  for  CO2  levels(kt)  in  India,  from  2001-10.  This  fulfils  one  of  the  objectives  for  my  IA.  In  order  to  examine  the  function  and  the  rate  of  change  of  CO2  levels,  which  was  part  of  my  original  objective,  I  have  graphed  the  function  using  my  graphing  calculator(  fx-CG  20),  and  then  transmitted  it  to  my  computer.  

Figure  3:  Graph  of  CO2  Levels(kt)  in  India(2001-10)  with  respect  to  Time  

This  graph  shows  that  C(t)  is  an  increasing  function.  This  indicates  that  from  2001-2010,  the  difference  between  CO2  emissions  and  absorptions  was  increasing.  By  decreasing  this  difference,  CO2  levels  can  be  reduced  significantly.  Therefore,  this  function  can  be  used  to  find  the  atmospheric  CO2  level(kt)  in  India  between  the  years  2001-10.  

Page 14: Math IA word doc - Shloka Shetty · ! 178! 16593224·"!sin"100"5" + 25" !! 186174279" 100"!=! 17" 8" 16593224sin"100−"5+" 186174279" 25" 100" ="16593224·"cos"1005" "1005"+0" 25"

17   8  

  70521202  ·  cos  100  −  5  =  

  625  26300      −  598000000  

Mathematics  HL  Internal  Assessment,  Shloka  Shetty  

Further,  as  can  be  seen  by  the  decreasing  slope  of  the  tangents  at  each  value  of  time(year),  it  can  be  said  that  the  function  is  increasing,  but  at  a  decreasing  rate.  This  can  be  further  validated  by  analysing  the  trend  in  the  instantaneous  rate  of  change  of  atmospheric  CO2.  Although  the  derivative  of  the  function  C(t)  was  found  earlier(Page  7),  it  wasn’t  analysed  then,  as  this  would  detract  the  IA  from  the  deduction  of  the  function  C(t).  Therefore,  after  having  found  and  graphed  the  fucntion  C(t),  its  derivative  will  be  analysed  here.  This  will  be  done  by  examining  the  trend  in  the  instantaneous  rate  of  change  of  atmospheric  CO2  levels  in  India  between  2001  and  2010.  The  derivative  of  C(t),  already  deduced  on  Page  7,  was  as  follows:  

Using  the  function  C(t),  I  have  evaluated  the  CO2  levels  for  each  year,  inputted  these  into  an  Excel  Spreadsheet,  and  then  applied  the  above  function  to  these  values  to  determine  the  instantaneous  rate  of  change  in  each  year.  A  screenshot  of  this  spreadhseet  is  shown  below:  

Figure  4:  Spreadsheet  showing  CO2  levels(kt)  and  their  instantaneous  rates  of  change  in  Indian  for  each  year(2001-­‐-­‐-­‐10)  

With  reference  to  this  spreadhsheet,  between  the  years  2001  and  2009,  the  CO2  levels  in  India  were  increasing.  However,  their  instantaneour  rates  of  change  were  decreasing.  This  is  because  although  CO2  emissions  were  higher  than  CO2  absorptions  during  these  years,  the  difference  between  the  rates  of  increase  of  CO2  absorptions  and  emissions  was  decreasing.  Therefore,  with  reference  to  the  box  model  and  the  following  ODE  explained  on  Page  9,  the  rate  of  increase  of  atmospheric  CO2  levels  in  India  were  decreasing  for  this  time  period.  However,  9.41  years  after  2000(during  2009),  the  CO2  level  was  maximum,  as  shown  by  Figure  3  on  the  previous  page.  The  function  C(t)  reaches  a  stationary  point(maxima)  at  t=9.41  .  At  this  point,  the  instantaneous  rate  of  change  is  0.  Therefore,  after  this  point  the  CO2  level  starts  to  decrease  and  the  instantaneous  rate  of  change  becomes  negative,  as  shown  by  its  value  at  t=10.  This  is  because  after  the  year  2009(specifically  after  the  stationary  point),  CO2  absorptions  are  greater  than  its  emissions.  

Conclusion    Therefore,  I  have  deduced  a  function  for  atmospheric  CO2  levels  in  India(2001-10),  and  examined  this  function,  and  mathematically  analysed  the  rate  of  change  of  CO2  levels  between  2001  and  2010,  I  have  fulfilled  my  aim  for  this  Internal  Assessment.  In  the  process  of  developing  the  function  for  CO2  levels  in  India(2001-10),  I  also  gained  an  in-depth  understanding  of  the  reasons  for  change  in  atmospheric  CO2  levels  and  changes  in  its  rate  of  change.  The  model  for  CO2  levels  I  have  developed  mathematically  explains  that  the  rate  of  change  of  CO2  levels  in  India  can  be  greatly  reduced  by  increasing  the  rate  of  change  of  CO2  absorption(by  reducing  the  consumption  of  fossil  fuels,  the  primary  source  of  CO2  emissions,  and  instead  

13  

Page 15: Math IA word doc - Shloka Shetty · ! 178! 16593224·"!sin"100"5" + 25" !! 186174279" 100"!=! 17" 8" 16593224sin"100−"5+" 186174279" 25" 100" ="16593224·"cos"1005" "1005"+0" 25"

Mathematics  HL  Internal  Assessment    Shloka  Shetty  

switch  to  using  renewable  resources)and  by  decreasing  the  rate  of  change  of  CO2  absorption(by  reducing  deforestation  and  planting  more  trees,  the  main  sink  for  CO2).  The  model  serves  yet  another  purpose  in  that  it  can  be  used  to  find  an  approximate  value  for  CO2  levels  in  India  during  any  year  between  2001  and  2010,  and  can  be  graphed  to  analyse  trends  in  atmospheric  CO2  levels  in  India  for  the  same  time  period.  My  conclusion  of  these  trends  in  atmospheric  CO2  levels  in  India(2001-10)  were  that  they  were  increasing  at  a  decreasing  rate  until  2009,  after  which  CO2  levels  themselves  decreased.  Therefore,I  have  mathematically  adressed  and  analysed  one  of  the  wold’s  front  running  issues  that  has  wide  ranging  and  long  lasting  impacts  on  our  planet,  and  on  our  lives  as  well.  I  have  focused  this  global  issue  to  a  national  context,  in  which  I,  personally  felt  the  effects  of  rising  CO2  levels.  Although  I  did  face  several  difficulties,  primarily  in  solving  the  first  order  linear  ODE,  I  believe  I  have  fulfilled  my  aim  for  this  Internal  Assessment.  Yet,  the  results  of  my  Internal  Assessment  do  have  limitations,  which  will  be  evaluated  below.  

Evaluation    

Why  this  methodology  was  chosen:  C(t)  is  simply  the  difference  E(t)- A(t)  i.e.  the  difference  between  CO2  emission  and  absorption  in  a  particular  year,  plus  the  constant  atmospheric  level  of  CO2  which  hasn’t  been  emitted  or  absorbed  as  part  of  the  carbon  cycle,  but  was  naturally  present  in  the  atmosphere(Atmospheric  CO2  Constant)8.  This  is  an  alternative  way  to  deduce  a  function  forC(t).  

However,  solving  an  ODE  is  a  more  feasible  and  accurate  way  to  find  a  function  for  C(t).It  is  more  feasible  as  the  Atmospheric  CO2  Constant  is  not  known  for  India,  and  research  on  it  is  still  underway.  If  this  was  assumed  to  be  0,  this  would  lead  to  inaccuracy  of  the  result.  Since  this  value  is  a  constant,  it  will  not  affect  the  rate  of  change  of  CO2  levels.  Thus,  solving  an  ODE  of  this  rate  of  change  is  also  a  more  accurate  way  to  deduce  a  function  for  C(t).  

Limitations:  • The  constant  of  integration  was  not  known,  and  therefore  was  assumed  to  be  0.  This  is  a  limitation  as  if  

this  constant  could  be  solved  for,  it  would  change  affect  the  function  C(t)  as  well.  • The  function  I  have  deduced  can  be  used  only  for  the  time  period  2001-10.  This  is  because  the  function  is  

trigonometric  and  the  trends  of  a  trigonometric  function  do  not  necessarily  apply  to  atmospheric  CO2  levels  for  other  time  periods.  

• The  function  C(t)  will  give  only  approximate  values  for  CO2  levels  in  India  for  the  given  time  period,  as  the  model  of  CO2  emission  is  a  best  fit  curve,  and  not  a  completely  accurate  one.  

• Although  combustion  of  fossil  fuels  and  cement  production  are  the  main  emitters  of  CO2,  there  are  various  other  sources  of  CO2  such  as  the  process  of  respiration  by  plants  and  animals.  Emission  from  these  sources  have  not  been  included  in  the  data  values  used  to  model  the  function  for  CO2  Emissions  in  India.  

• The  model  for  CO2  absorption  does  not  take  into  account  the  CO2  sinks  whose  rates  of  absorption  do  not  depend  on  the  atmospheric  CO2  level.  Examples  of  such  sinks  are  CO2  absorbed  by  weathering  rock,  and  CO2  absorbed  by  certain  types  of  leaves  for  photosynthesis.  

Therefore,  this  Internal  Assessment  has  made  reasonable  conclusions,  but  does  have  its  limitations.  These  can  be  reduced  with  more  advanced  technology  to  pobtain  more  accurate  models  and  perhaps  a  longer  period  of  time  to  further  develop  the  analysis  and  make  more  reliable  conclusions  from  this  analysis.  

8"Earth's  CO2  Home  Page."  CO2.Earth.  Accessed  March  30,  2016.  http://co2.earth/.    

14  

Page 16: Math IA word doc - Shloka Shetty · ! 178! 16593224·"!sin"100"5" + 25" !! 186174279" 100"!=! 17" 8" 16593224sin"100−"5+" 186174279" 25" 100" ="16593224·"cos"1005" "1005"+0" 25"

15  

Mathematics  HL  Internal  Assessment,  Shloka  Shetty  

Bibliography    

• "Why  India  Is  Getting  Hotter  by  the  Year."  Rediff.  Accessed  March  27,  2016.  http://www.rediff.com/news/special/why-india-is-getting-hotter-by-the-year/20150526.htm.    

• "Ordinary  Differential  Equation."  -- from  Wolfram  MathWorld.  Accessed  March  27,  2016.  http://mathworld.wolfram.com/OrdinaryDifferentialEquation.html.    

• "Pollutant  Stock  and  Flow:  Reconstructing  CO2  Emissions."  Wisconsin  Education.  Accessed  March  18,  2016.  http://www.bibme.org/chicago/website-citation/new.    

• "Atmospheric  Concentrations  of  Fossil  Fuels."  Ministry  of  Environment,  Forest  and  Climate  Change  Government  of  India.  Accessed  March  20,  2016.  http://www.moef.nic.in/keywords.    

• "Earth's  CO2  Home  Page."  CO2.Earth.  Accessed  March  30,  2016.  http://co2.earth/.