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111 政治大學微積分 第 3 題

考題 / 轉學考微積分 / 政大 / 微積分

111學年度 · 111微積分 · 第 3 題

題目

Problem

3. Suppose that ff and gg are two functions such that g(x)=f(x)=xexg'(x) = f'(x) = xe^x for x(,)x \in (-\infty, \infty) and f(0)=1f(0) = -1. Which of the following statements is false?

(A) f(x)=1+0xtetdtf(x) = -1 + \displaystyle\int_0^x te^t\,\mathrm{d}t for x(,)x \in (-\infty, \infty).

(B) If g(3)=e3g(3) = e^3, then g(x)=f(x)g(x) = f(x) for x(,)x \in (-\infty, \infty).

(C) If g(2)=e2g(2) = e^2, then g(x)=f(x)g(x) = f(x) for x(,)x \in (-\infty, \infty).

(D) If g(1)=0g(1) = 0, then g(x)=f(x)g(x) = f(x) for x(,)x \in (-\infty, \infty).

(E) f(100)>e100f(100) > e^{100}.

解答

解法一

思路

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  1. 已知 f(x)=xexf'(x) = xe^xf(0)=1f(0) = -1,因此可以把 ff 完全確定下來——先對 ff' 做分部積分,再代初始條件求出積分常數。
  2. 求出 ff 的閉合式之後,選項 (A)(E) 可以直接驗算;選項 (B)(C)(D) 的核心在於:g=fg' = f' 意味著 gfg - f 是常數,判斷哪個初始條件能讓這個常數恰好為 00
  3. 特別注意 (B)g(3)=e3g(3) = e^3 聽起來「很合理」,但要和 f(3)f(3) 比較才知道是否相等。這是本題最容易誤判的陷阱。

答題過程

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第一步:求 f(x)f(x) 的閉合式。

f(x)=xexf'(x) = xe^x 做分部積分,令 u=xu = xdv=exdx\mathrm{d}v = e^x\,\mathrm{d}x

f(x)=xexdx=xexexdx=xexex+C=ex(x1)+C\begin{align*} f(x) =&\, \int xe^x\,\mathrm{d}x \\[4mm] =&\, xe^x - \int e^x\,\mathrm{d}x \\[4mm] =&\, xe^x - e^x + C = e^x(x-1) + C \end{align*}

代入初始條件 f(0)=1f(0) = -1e0(01)+C=1C=0e^0(0-1) + C = -1 \Rightarrow C = 0,故

f(x)=ex(x1)f(x) = e^x(x-1)

有了 ff 的閉合式,逐一驗算各選項:

(A) 由微積分基本定理,1+0xtetdt-1 + \displaystyle\int_0^x te^t\,\mathrm{d}t 的導數為 xex=f(x)xe^x = f'(x),且在 x=0x=0 時值為 1=f(0)-1 = f(0)。因此這個表達式與 f(x)f(x) 相同。✓

(B) 計算 f(3)=e3(31)=2e3f(3) = e^3(3-1) = 2e^3。若 g(3)=e3g(3) = e^3,則 g(3)f(3)=2e3g(3) \ne f(3) = 2e^3。由於 g=fg' = f'gfg - f 是常數,而 g(3)f(3)=e32e3=e30g(3) - f(3) = e^3 - 2e^3 = -e^3 \ne 0,故 gfg \ne f此敘述為假。✗

(C) 計算 f(2)=e2(21)=e2f(2) = e^2(2-1) = e^2。若 g(2)=e2=f(2)g(2) = e^2 = f(2),則 g(2)f(2)=0g(2) - f(2) = 0,且由於 gfg-f 是常數,可得 gfg \equiv f。✓

(D) 計算 f(1)=e1(11)=0f(1) = e^1(1-1) = 0。若 g(1)=0=f(1)g(1) = 0 = f(1),同理 gfg \equiv f。✓

(E) f(100)=e100(1001)=99e100>e100f(100) = e^{100}(100-1) = 99e^{100} > e^{100}。✓


結論: 選項 (B) 為錯誤敘述。g(3)=e3g(3) = e^3f(3)=2e3f(3) = 2e^3,兩者相差整整一倍,若 g(3)=e3g(3) = e^3gfg \ne f