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111 台灣大學微積分(C) 第 4 題

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111學年度 · 111台大微積分C · 第 4 題

題目

Problem

4. Let ff be a smooth function and F(x)=∫22xtf(t)et2 dtF(x) = \displaystyle\int_{\sqrt{2}}^{\sqrt{2x}} \frac{t f(t)}{e^{t^2}}\,\mathrm{d}t. (10%)

Find F′(x)F'(x). (7)‾\underline{\quad (7) \quad} (Your answer would contain ff)

Suppose that F(x)=f(2x)F(x) = f(\sqrt{2x}). Solve the integral equation for ff. (8)‾\underline{\quad (8) \quad}

解答

(a)

解法一

思路

展開
  1. 利用微積分基本定理的第一形式與萊布尼茲法則求導。
  2. 設 G(x)=∫2h(x)g(t) dtG(x) = \int_{\sqrt{2}}^{h(x)} g(t)\,\mathrm{d}t,其導數為 G′(x)=g(h(x))⋅h′(x)G'(x) = g(h(x)) \cdot h'(x)。
  3. 這裡 h(x)=2xh(x) = \sqrt{2x}, g(t)=tf(t)et2g(t) = \frac{t f(t)}{e^{t^2}}。

答題過程

展開

令 g(t)=tf(t)et2=tf(t)e−t2g(t) = \frac{t f(t)}{e^{t^2}} = t f(t) e^{-t^2}。 根據萊布尼茲法則,對 F(x)=∫22xg(t) dtF(x) = \displaystyle\int_{\sqrt{2}}^{\sqrt{2x}} g(t)\,\mathrm{d}t 求導:

F′(x)=g(2x)⋅ddx(2x)=(2xf(2x)e−(2x)2)⋅(122x⋅2)=(2xf(2x)e−2x)⋅12x=f(2x)e−2xF'(x) = g(\sqrt{2x}) \cdot \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}(\sqrt{2x}) = \left( \sqrt{2x} f(\sqrt{2x}) e^{-(\sqrt{2x})^2} \right) \cdot \left( \frac{1}{2\sqrt{2x}} \cdot 2 \right) = \left( \sqrt{2x} f(\sqrt{2x}) e^{-2x} \right) \cdot \frac{1}{\sqrt{2x}} = f(\sqrt{2x}) e^{-2x}

故 (7) 處應填入 f(2x)e−2x\displaystyle\boxed{f(\sqrt{2x}) e^{-2x}}。


(b)

解法一

思路

展開
  1. 已知條件為 F(x)=f(2x)F(x) = f(\sqrt{2x}),與 (a) 中求得的 F′(x)=f(2x)e−2xF'(x) = f(\sqrt{2x}) e^{-2x} 結合,可得常微分方程: F′(x)=F(x)e−2x  ⟹  F′(x)−e−2xF(x)=0F'(x) = F(x) e^{-2x} \implies F'(x) - e^{-2x}F(x) = 0
  2. 這是一階線性齊次微分方程,可用分離變數法求解。
  3. 利用初始值 F(1)=∫22⋯=0F(1) = \int_{\sqrt{2}}^{\sqrt{2}} \dots = 0 確定常數 CC。
  4. 最終求出 f(x)f(x)。

答題過程

展開

將 F(x)=f(2x)F(x) = f(\sqrt{2x}) 代入 (a) 得到的導數式:

F′(x)=F(x)e−2x  ⟹  dFdx=Fe−2xF'(x) = F(x) e^{-2x} \implies \frac{\mathrm{d}F}{\mathrm{d}x} = F e^{-2x}

當 F(x)≠0F(x) \neq 0 時,分離變數:

1F dF=e−2x dx  ⟹  ln⁡∣F∣=−12e−2x+C0  ⟹  F(x)=Cexp⁡(−12e−2x)\frac{1}{F}\,\mathrm{d}F = e^{-2x}\,\mathrm{d}x \implies \ln|F| = -\frac{1}{2}e^{-2x} + C_0 \implies F(x) = C \exp\left(-\frac{1}{2}e^{-2x}\right)

利用積分的定義,當上限與下限相等時,積分為 00:

F(1)=∫22tf(t)et2 dt=0F(1) = \int_{\sqrt{2}}^{\sqrt{2}} \frac{t f(t)}{e^{t^2}}\,\mathrm{d}t = 0

代回通解中:

F(1)=Cexp⁡(−12e−2)=0  ⟹  C=0F(1) = C \exp\left(-\frac{1}{2}e^{-2}\right) = 0 \implies C = 0

因此,唯一的連續解為:

F(x)=0F(x) = 0

由於 f(2x)=F(x)=0f(\sqrt{2x}) = F(x) = 0,這表示對於所有自變數 u≥0u \ge 0,皆有:

f(u)=0f(u) = 0

故此積分方程的唯一解為 f(x)=0\boxed{f(x) = 0}。