題目
Problem
4. Suppose that f(u)>0. Let
F(x)=∫0x2∫4tf(u)dudt.
On what intervals is F(x) increasing? (5)
解答
解法一
思路
展開
- 本題要求函數 F(x)=∫0x2(∫4tf(u)du)dt 的遞增區間。
- 函數 F(x) 遞增的條件為一階導數 F′(x)>0。
- 第一步:使用萊布尼茲法則求一階導函數 F′(x):
- 定義內層積函數為 G(t)=∫4tf(u)du。
- F(x)=∫0x2G(t)dt。
- 求導得: F′(x)=G(x2)⋅dxd(x2)=2x∫4x2f(u)du。
- 第二步:分析不等式 2x∫4x2f(u)du>0:
- 由於對所有 u 都有 f(u)>0:
- 當 x2>4 時, ∫4x2f(u)du>0。
- 當 x2<4 時, ∫4x2f(u)du<0。
- 分成兩種乘積為正的情況討論:
- 情況一: 2x>0 且 ∫4x2f(u)du>0⟹x>0 且 x2>4⟹x>2。
- 情況二: 2x<0 且 ∫4x2f(u)du<0⟹x<0 且 x2<4⟹−2<x<0。
答題過程
展開
函數 F(x) 的單調遞增區間滿足一階導函數大於零,即 F′(x)>0。
我們對其使用微積分基本定理與連鎖律求導。設 G(t)=∫4tf(u)du,則 F(x)=∫0x2G(t)dt:
F′(x)=G(x2)⋅dxd(x2)=(∫4x2f(u)du)⋅2x=2x∫4x2f(u)du
我們需要求解不等式:
2x∫4x2f(u)du>0
由於已知 f(u)>0 恆成立,定積分的符號完全取決於上下限的大小關係:
- 當 x2>4 (即 x>2 或 x<−2)時,積分區間為正向 ⟹∫4x2f(u)du>0。
- 當 x2<4 (即 −2<x<2)時,積分區間為逆向 ⟹∫4x2f(u)du<0。
現在我們分兩種情況使乘積為正:
-
第一種情況:
{2x>0∫4x2f(u)du>0⟹{x>0x2>4⟹x>2
-
第二種情況:
{2x<0∫4x2f(u)du<0⟹{x<0x2<4⟹−2<x<0
綜合以上,當 x>2 或 −2<x<0 時,一階導數恆正。
結論:
(5) 處應填入 (−2,0)∪(2,∞) (或 x>2 與 −2<x<0)。