已知 f(x) 是周期为 5 的连续函数,它在 x=0 的某个邻域内满足关系式 f(1+sin x)-3f(1-sin x)=8x+o(x),且 f(x) 在 x=1 处可导,求曲线 y=f(x) 在点 (6, f(6)) 处的切线方程。
已知 $f(x)$ 是周期为 5 的连续函数,它在 $x=0$ 的某个邻域内满足关系式 $f(1+\sin x)-3f(1-\sin x)=8x+o(x)$,且 $f(x)$ 在 $x=1$ 处可导,求曲线 $y=f(x)$ 在点 $(6, f(6))$ 处的切线方程。
题目解答
答案
我们来逐步分析并解决这道题:
题目信息总结:
- 函数 $ f(x) $ 是周期为 5 的连续函数。
- 在 $ x = 0 $ 的某个邻域内满足关系式:
$f(1 + \sin x) - 3f(1 - \sin x) = 8x + o(x)$ - 函数在 $ x = 1 $ 处可导。
- 要求曲线 $ y = f(x) $ 在点 $ (6, f(6)) $ 处的切线方程。
第一步:利用周期性简化问题
由于 $ f(x) $ 是周期为 5 的函数,即:
$f(x + 5) = f(x)$
所以:
$f(6) = f(1), \quad f'(6) = f'(1)$
(周期函数的导数也是周期函数,所以导数也具有相同的周期)
因此,我们只需要求出 $ f(1) $ 和 $ f'(1) $,就可以写出在 $ (6, f(6)) $ 处的切线方程。
第二步:分析给定的关系式
已知:
$f(1 + \sin x) - 3f(1 - \sin x) = 8x + o(x)$
我们希望利用这个关系式来求出 $ f(1) $ 和 $ f'(1) $。
1. 在 $ x \to 0 $ 时,$ \sin x \approx x $
所以:
$f(1 + \sin x) \approx f(1 + x), \quad f(1 - \sin x) \approx f(1 - x)$
所以原式变为:
$f(1 + x) - 3f(1 - x) = 8x + o(x)$
我们把这个式子记为:
$f(1 + x) - 3f(1 - x) = 8x + o(x) \quad \text{(1)}$
第三步:令 $ x = 0 $,求 $ f(1) $
将 $ x = 0 $ 代入式 (1):
$f(1 + 0) - 3f(1 - 0) = 0 + o(0)
\Rightarrow f(1) - 3f(1) = 0
\Rightarrow -2f(1) = 0
\Rightarrow f(1) = 0$
第四步:对式 (1) 求导,求 $ f'(1) $
我们对式 (1) 两边关于 $ x $ 求导:
左边:
$\frac{d}{dx} [f(1 + x) - 3f(1 - x)] = f'(1 + x) \cdot 1 - 3f'(1 - x) \cdot (-1) = f'(1 + x) + 3f'(1 - x)$
右边:
$\frac{d}{dx} [8x + o(x)] = 8 + o'(x)$
所以:
$f'(1 + x) + 3f'(1 - x) = 8 + o'(x)$
令 $ x \to 0 $,得到:
$f'(1) + 3f'(1) = 8
\Rightarrow 4f'(1) = 8
\Rightarrow f'(1) = 2$
第五步:写出切线方程
我们已经知道:
- $ f(6) = f(1) = 0 $
- $ f'(6) = f'(1) = 2 $
所以,曲线 $ y = f(x) $ 在点 $ (6, 0) $ 处的切线方程为:
$y - 0 = 2(x - 6)
\Rightarrow y = 2x - 12$
最终答案:
$\boxed{y = 2x - 12}$
这是曲线 $ y = f(x) $ 在点 $ (6, f(6)) $ 处的切线方程。
解析
考查要点:本题主要考查周期函数的性质、导数的定义及切线方程的求解。关键在于利用周期性将问题转化为求$f(1)$和$f'(1)$,并通过给定的函数关系式建立方程求解。
解题思路:
- 周期性转化:利用$f(x)$的周期为5,将$f(6)$和$f'(6)$转化为$f(1)$和$f'(1)$。
- 函数关系式分析:在$x=0$附近展开,将$\sin x$近似为$x$,得到关于$f(1+x)$和$f(1-x)$的方程。
- 代入特殊值求$f(1)$:令$x=0$直接求出$f(1)$。
- 求导求$f'(1)$:对函数关系式两边求导,结合极限求出$f'(1)$。
- 切线方程:利用点斜式写出切线方程。
步骤1:周期性转化
由于$f(x)$周期为5,故:
$f(6) = f(1), \quad f'(6) = f'(1)$
步骤2:简化函数关系式
当$x \to 0$时,$\sin x \approx x$,原式可近似为:
$f(1+x) - 3f(1-x) = 8x + o(x)$
步骤3:求$f(1)$
令$x=0$代入上式:
$f(1) - 3f(1) = 0 \implies -2f(1) = 0 \implies f(1) = 0$
步骤4:求$f'(1)$
对等式两边关于$x$求导:
$f'(1+x) + 3f'(1-x) = 8 + o'(x)$
令$x \to 0$,得:
$f'(1) + 3f'(1) = 8 \implies 4f'(1) = 8 \implies f'(1) = 2$
步骤5:切线方程
在点$(6, f(6))$处,切线方程为:
$y - f(6) = f'(6)(x - 6)$
代入$f(6)=0$和$f'(6)=2$,得:
$y = 2(x - 6) \implies y = 2x - 12$