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112 台灣大學微積分(B) 第 5 題

考題 / 轉學考微積分 / 台灣大學 / 微積分B

112學年度 · 112台大微積分B · 第 5 題

題目

Problem

5. Solve for the function ff that satisfies

x4f(t2)lntdt=e(x16)2x16,x>1.\int_{\sqrt{x}}^4 \frac{f(t^2)}{\ln t} \,\mathrm{d}t = e^{(x-16)^2} - \frac{x}{16} \,, \quad x > 1 \,.

f(x)=(5)f(x) = \underline{\quad (5) \quad} .

解答

解法一

思路

展開
  1. 給定一個變限積分方程,我們需要解出裡面的未知函數 f(x)f(x)
  2. 根據微積分基本定理(萊布尼茲法則),對等式兩側關於 xx 求導:
    • 左邊求導: ddx[x4f(t2)lntdt]=0f((x)2)lnxddx(x)=f(x)12lnx12x=f(x)xlnx\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} \left[ \int_{\sqrt{x}}^4 \frac{f(t^2)}{\ln t} \,\mathrm{d}t \right] = 0 - \frac{f\left( (\sqrt{x})^2 \right)}{\ln\sqrt{x}} \cdot \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}(\sqrt{x}) = -\frac{f(x)}{\frac{1}{2}\ln x} \cdot \frac{1}{2\sqrt{x}} = -\frac{f(x)}{\sqrt{x}\ln x}
    • 右邊求導: ddx[e(x16)2x16]=e(x16)22(x16)116\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} \left[ e^{(x-16)^2} - \frac{x}{16} \right] = e^{(x-16)^2} \cdot 2(x-16) - \frac{1}{16}
  3. 聯立兩側導函數並解出 f(x)f(x)f(x)xlnx=2(x16)e(x16)2116    f(x)=xlnx(2(x16)e(x16)2116)-\frac{f(x)}{\sqrt{x}\ln x} = 2(x-16)e^{(x-16)^2} - \frac{1}{16} \implies f(x) = -\sqrt{x}\ln x \left( 2(x-16)e^{(x-16)^2} - \frac{1}{16} \right)

答題過程

展開

我們對方程兩側關於自變數 xx 進行求導。 首先,對左側的變限積分式使用微積分基本定理與連鎖律:

ddx(x4f(t2)lntdt)=f((x)2)ln(x)ddx(x)\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} \left( \int_{\sqrt{x}}^4 \frac{f(t^2)}{\ln t} \,\mathrm{d}t \right) = - \frac{f\left( (\sqrt{x})^2 \right)}{\ln\left(\sqrt{x}\right)} \cdot \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left( \sqrt{x} \right)

我們簡化各個代數項(在 x>1x > 1 的條件下):

  • (x)2=x(\sqrt{x})^2 = x
  • ln(x)=ln(x1/2)=12lnx\ln\left(\sqrt{x}\right) = \ln\left(x^{1/2}\right) = \frac{1}{2}\ln x
  • ddx(x)=12x\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left( \sqrt{x} \right) = \frac{1}{2\sqrt{x}}

代回得左側導數:

f(x)12lnx12x=f(x)xlnx- \frac{f(x)}{\frac{1}{2}\ln x} \cdot \frac{1}{2\sqrt{x}} = -\frac{f(x)}{\sqrt{x}\ln x}

接著,我們對等式右側關於 xx 求導:

ddx(e(x16)2x16)=e(x16)22(x16)116=2(x16)e(x16)2116\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} \left( e^{(x-16)^2} - \frac{x}{16} \right) = e^{(x-16)^2} \cdot 2(x - 16) - \frac{1}{16} = 2(x - 16)e^{(x-16)^2} - \frac{1}{16}

令左右兩側求導結果相等:

f(x)xlnx=2(x16)e(x16)2116-\frac{f(x)}{\sqrt{x}\ln x} = 2(x-16)e^{(x-16)^2} - \frac{1}{16}

我們將 xlnx-\sqrt{x}\ln x 移項至右側,解得函數 f(x)f(x)

f(x)=xlnx(2(x16)e(x16)2116)f(x) = -\sqrt{x}\ln x \left( 2(x-16)e^{(x-16)^2} - \frac{1}{16} \right)

結論: (5) 處應填入 xlnx(2(x16)e(x16)2116)-\sqrt{x}\ln x \left( 2(x-16)e^{(x-16)^2} - \frac{1}{16} \right)