題目
Problem
6. Suppose that f(π)=4 and ∫0π[f(x)+f′′(x)]sinxdx=5. Find f(0). (10%)
解答
思路
展開
- 將定積分拆開為兩項:
∫0πf(x)sinxdx+∫0πf′′(x)sinxdx=5
- 對這兩項分別進行分部積分(Integration by Parts),消去積分項並保留邊界項:
- 第一項保持不變,或對其進行分部積分。
- 第二項 ∫0πf′′(x)sinxdx,令 u=sinx,v′=f′′(x)⟹v=f′(x):
∫0πf′′(x)sinxdx=[f′(x)sinx]0π−∫0πf′(x)cosxdx
=0−∫0πf′(x)cosxdx
- 再對 −∫0πf′(x)cosxdx 進行一次分部積分,令 u=cosx,v′=f′(x)⟹v=f(x):
−∫0πf′(x)cosxdx=−[f(x)cosx]0π+∫0πf(x)(−sinx)dx
=f(π)cosπ−f(0)cos0−∫0πf(x)sinxdx
=f(π)+f(0)−∫0πf(x)sinxdx
- 將兩部分合併,可以看到積分項恰好消去!由此可求出 f(0)。
答題過程
展開
對積分式中的第二項 ∫0πf′′(x)sinxdx 使用分部積分法:
令 u=sinx⟹du=cosxdx, v′=f′′(x)⟹v=f′(x)。
∫0πf′′(x)sinxdx=[f′(x)sinx]0π−∫0πf′(x)cosxdx
由於 sinπ=sin0=0,第一項為 0:
=−∫0πf′(x)cosxdx
對此式再次使用分部積分法:
令 u=cosx⟹du=−sinxdx, v′=f′(x)⟹v=f(x)。
−∫0πf′(x)cosxdx=−([f(x)cosx]0π−∫0πf(x)(−sinx)dx)
=−[f(x)cosx]0π−∫0πf(x)sinxdx
=−(f(π)cosπ−f(0)cos0)−∫0πf(x)sinxdx
=f(π)+f(0)−∫0πf(x)sinxdx
代回原定積分方程式:
∫0π[f(x)+f′′(x)]sinxdx=∫0πf(x)sinxdx+(f(π)+f(0)−∫0πf(x)sinxdx)=5
⟹f(π)+f(0)=5
已知 f(π)=4:
4+f(0)=5⟹f(0)=1
結論:
f(0)=1。