题目
已知函数 f(x)在 (0,+infty ) 内可导, (x)gt 0, lim _(xarrow +infty )f(x)=1, 且满足 lim _(harrow 0)([ dfrac {f(x+hx))(f(x))] }^dfrac (1{n)}-|||-=(e)^dfrac (1{x)}, 求 f(x)所满足的方程.
题目解答
答案
解析
考查要点:本题主要考查利用导数的定义处理极限问题,以及求解微分方程的能力。关键在于将给定的极限表达式转化为导数形式,进而建立微分方程。
解题思路:
- 识别极限结构:题目中的极限形式与导数定义相似,需通过变量替换或变形将其转化为导数表达式。
- 对数变换简化运算:通过对数将乘积转化为加法,简化极限运算。
- 建立微分方程:通过极限与导数的关系,得到关于$f(x)$的微分方程。
- 求解微分方程:分离变量积分,并利用极限条件确定常数。
破题关键:
- 导数定义的灵活应用:增量为$h x$时,需注意链式法则的应用。
- 极限条件的应用:当$x \to +\infty$时,$f(x) \to 1$用于确定积分常数。
步骤1:设定变量并取对数
设极限表达式为$y = \left[ \dfrac{f(x+h x)}{f(x)} \right]^{\frac{1}{h}}$,取自然对数得:
$\ln y = \dfrac{1}{h} \ln \dfrac{f(x+h x)}{f(x)}.$
步骤2:计算极限
当$h \to 0$时,利用导数定义:
$\lim_{h \to 0} \ln y = \lim_{h \to 0} \dfrac{\ln f(x+h x) - \ln f(x)}{h} = x \cdot \dfrac{d}{dx} (\ln f(x)).$
步骤3:建立方程
根据题意,$\lim_{h \to 0} y = e^{\frac{1}{x}}$,因此:
$e^{x \cdot (\ln f(x))'} = e^{\frac{1}{x}} \implies x \cdot (\ln f(x))' = \dfrac{1}{x}.$
步骤4:求解微分方程
分离变量积分:
$(\ln f(x))' = \dfrac{1}{x^2} \implies \ln f(x) = -\dfrac{1}{x} + C.$
因此:
$f(x) = C e^{-\frac{1}{x}}.$
步骤5:确定常数$C$
当$x \to +\infty$时,$e^{-\frac{1}{x}} \to 1$,结合$\lim_{x \to +\infty} f(x) = 1$得$C = 1$。