題目
Problem
3. Suppose that f and g are two functions such that g′(x)=f′(x)=xex for x∈(−∞,∞) and f(0)=−1. Which of the following statements is false?
(A) f(x)=−1+∫0xtetdt for x∈(−∞,∞).
(B) If g(3)=e3, then g(x)=f(x) for x∈(−∞,∞).
(C) If g(2)=e2, then g(x)=f(x) for x∈(−∞,∞).
(D) If g(1)=0, then g(x)=f(x) for x∈(−∞,∞).
(E) f(100)>e100.
解答
解法一
思路
展開
- 已知 f′(x)=xex 且 f(0)=−1,因此可以把 f 完全確定下來——先對 f′ 做分部積分,再代初始條件求出積分常數。
- 求出 f 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′=f′ 意味著 g−f 是常數,判斷哪個初始條件能讓這個常數恰好為 0。
- 特別注意 (B):g(3)=e3 聽起來「很合理」,但要和 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
展開
第一步:求 f(x) 的閉合式。
對 f′(x)=xex 做分部積分,令 u=x,dv=exdx:
f(x)===∫xexdxxex−∫exdxxex−ex+C=ex(x−1)+C
代入初始條件 f(0)=−1:e0(0−1)+C=−1⇒C=0,故
f(x)=ex(x−1)
有了 f 的閉合式,逐一驗算各選項:
(A) 由微積分基本定理,−1+∫0xtetdt 的導數為 xex=f′(x),且在 x=0 時值為 −1=f(0)。因此這個表達式與 f(x) 相同。✓
(B) 計算 f(3)=e3(3−1)=2e3。若 g(3)=e3,則 g(3)=f(3)=2e3。由於 g′=f′,g−f 是常數,而 g(3)−f(3)=e3−2e3=−e3=0,故 g=f。此敘述為假。✗
(C) 計算 f(2)=e2(2−1)=e2。若 g(2)=e2=f(2),則 g(2)−f(2)=0,且由於 g−f 是常數,可得 g≡f。✓
(D) 計算 f(1)=e1(1−1)=0。若 g(1)=0=f(1),同理 g≡f。✓
(E) f(100)=e100(100−1)=99e100>e100。✓
結論: 選項 (B) 為錯誤敘述。g(3)=e3 而 f(3)=2e3,兩者相差整整一倍,若 g(3)=e3 則 g=f。