(7)若f(x)连续,且f(x)+2int_(0)^xf(t)dt=x^2,求f(x)。
题目解答
答案
设 $ F(x) = \int_0^x f(t) \, dt $,则 $ F'(x) = f(x) $。原方程可改写为:
$F'(x) + 2F(x) = x^2.$
此为一阶线性微分方程,积分因子为 $ e^{\int 2 \, dx} = e^{2x} $。两边乘以积分因子得:
$e^{2x}F'(x) + 2e^{2x}F(x) = x^2 e^{2x},$
即
$\frac{d}{dx} \left( e^{2x}F(x) \right) = x^2 e^{2x}.$
积分得:
$e^{2x}F(x) = \int x^2 e^{2x} \, dx.$
使用分部积分法,令 $ u = x^2 $,$ dv = e^{2x} \, dx $,则 $ du = 2x \, dx $,$ v = \frac{1}{2}e^{2x} $。
$\int x^2 e^{2x} \, dx = \frac{1}{2}x^2 e^{2x} - \int x e^{2x} \, dx.$
再次分部积分,令 $ u = x $,$ dv = e^{2x} \, dx $,则 $ du = dx $,$ v = \frac{1}{2}e^{2x} $。
$\int x e^{2x} \, dx = \frac{1}{2}x e^{2x} - \frac{1}{4}e^{2x}.$
代入得:
$\int x^2 e^{2x} \, dx = \frac{1}{2}x^2 e^{2x} - \left( \frac{1}{2}x e^{2x} - \frac{1}{4}e^{2x} \right) = \frac{1}{2}x^2 e^{2x} - \frac{1}{2}x e^{2x} + \frac{1}{4}e^{2x} + C.$
因此,
$e^{2x}F(x) = \frac{1}{2}x^2 e^{2x} - \frac{1}{2}x e^{2x} + \frac{1}{4}e^{2x} + C,$
解得
$F(x) = \frac{1}{2}x^2 - \frac{1}{2}x + \frac{1}{4} + Ce^{-2x}.$
由 $ F(0) = 0 $,得 $ C = -\frac{1}{4} $。
故
$F(x) = \frac{1}{2}x^2 - \frac{1}{2}x + \frac{1}{4} - \frac{1}{4}e^{-2x}.$
求导得
$f(x) = F'(x) = x - \frac{1}{2} + \frac{1}{2}e^{-2x}.$
答案:
$\boxed{x - \frac{1}{2} + \frac{1}{2}e^{-2x}}.$
解析
本题主要考察利用积分上限函数与微分方程结合求解函数$f(x)$,核心思路如下:
步骤1:转化积分方程为微分方程
已知$f(x)$连续,设$F(x)=\int_{0}^{x}f(t)dt$,则$F'(x)=f(x)$(积分上限函数的导数),且$F(0)=0$(积分上限为0时积分值为0)。
原方程$f(x)+2\int_{0}^{x}f(t)dt=x^2$可改写为:
$F'(x) + 2F(x) = x^2$
这是一阶线性非齐次微分方程,形式为$y'+P(x)y=Q(x)$,其中$P(x)=2$,$Q(x)=x^2$。
步骤2:求解一阶线性微分方程
一阶线性微分方程的通解公式为$y=e^{-\int P(x)dx}\left(\int Q(x)e^{\int P(x)dx}dxx)+C\right)$,此处用积分因子法更直观:
积分因子$\mu(x)=e^{\int 2dx}=e^{2x}$,两边同乘$\mu(x)$:
$e^{2x}F'(x) + 2e^{2x}F(x) = x^2e^{2x}$
左边是导数的形式:$\frac{d}{dx}\left(e^{2x}F(x)\right)=x^2e^{2x}$。
步骤3:计算积分$\int x^2e^{2x}dx$(分部积分)
分部积分公式:$\int udv=uv-\int vdu$,两次分部积分:
- 第一次:令$u=x^2$,$dv=e^{2x}dx$,则$du=2xdx$,$v=\frac{1}{2}e^{2x}$
$\int x^2e^{2x}dx=\frac{1}{2}x^2e^{2x}-\int xe^{2x}dx$ - 第二次:令$u=x$,$dv=e^{2x}dx$,则$du=dx$,$v=\frac{1}{2}e^{2x}$
$\int xe^{2x}dx=\frac{1}{2}xe^{2x}-\frac{1}{4}e^{2x}$
代入得:
$\int x^2e^{2x}dx=\frac{1}{2}x^2e^{2x}-\frac{1}{2}xe^{2x}+\frac{1}{4}e^{2x}+C$
步骤4:求$F(x)$并确定常数$C$
由$\frac{d}{dx}\left(e^{2x}F(x)\right)=x^2e^{2x}$积分得:
$e^{2x}F(x)=\frac{1}{2}x^2e^{2x}-\frac{1众筹到98元,只差您的2元就可继续买笔和创作啦~~~100:\frac{1}{2}xe^{2x}+\frac{1}{4}e^{2x}+C$
两边同乘$e^{-2x}$:
$F(x)=\frac{1}{2}x^2-\frac{1}{2}x+\frac{1}{4}+Ce^{-2x}$
由$F(0)=0$,代入$x=0$:$0=\frac{1}{4}+C\Rightarrow C=-\frac{1}{4}$,故:
$F(x)=\frac{1}{2}x^2-\frac{1}{2}x+\frac{1}{4}-\frac{1}{4}e^{-2x}$
步骤5:求$f(x)=F'(x)$
对$F(x)$求导:
$f(x)=F'(x)=x-\frac{1}{2}+\frac{1}{2}e^{-2x}$