设 f(x) 为微分方程 y' - xy = g(x) 满足 y(0) = 1 的解,而 g(x) = int_(0)^x sin(x-t)^2 , dt,则()(A) 在点 x=0 处 f(x) 取极大值.(B) 在点 x=0 处 f(x) 取极小值.(C) 点 (0, f(0)) 为曲线 y = f(x) 的拐点.(D) x=0 不是 f(x) 极值点,也不是拐点.
设 $f(x)$ 为微分方程 $y' - xy = g(x)$ 满足 $y(0) = 1$ 的解,而 $g(x) = \int_{0}^{x} \sin(x-t)^2 \, dt$,则() (A) 在点 $x=0$ 处 $f(x)$ 取极大值. (B) 在点 $x=0$ 处 $f(x)$ 取极小值. (C) 点 $(0, f(0))$ 为曲线 $y = f(x)$ 的拐点. (D) $x=0$ 不是 $f(x)$ 极值点,也不是拐点.
题目解答
答案
我们来逐步分析这个题目。
题目回顾
设函数 $ f(x) $ 是微分方程
$y' - xy = g(x)$
满足初始条件 $ y(0) = 1 $ 的解,其中
$g(x) = \int_0^x \sin\left((x - t)^2\right) \, dt$
问:在 $ x = 0 $ 处,$ f(x) $ 的性质是什么?
选项涉及极值点、拐点等。
第一步:理解 $ g(x) $ 的结构
我们有:
$g(x) = \int_0^x \sin\left((x - t)^2\right) \, dt$
这是一个变上限积分,且被积函数中含有 $ x $,即积分变量是 $ t $,但被积函数依赖于 $ x $ 和 $ t $,因此不能直接用牛顿-莱布尼茨公式求导,但可以使用含参变量积分的求导公式。
我们做变量替换,令 $ u = x - t $,则当 $ t = 0 $ 时,$ u = x $;当 $ t = x $ 时,$ u = 0 $,且 $ dt = -du $。
所以:
$g(x) = \int_{u=x}^{u=0} \sin(u^2) (-du) = \int_0^x \sin(u^2) \, du$
关键发现:
$g(x) = \int_0^x \sin(u^2) \, du$
这个函数是著名的菲涅尔积分(Fresnel integral)的一部分,但我们不需要具体表达式,只需要分析其在 $ x=0 $ 附近的性质。
第二步:计算 $ g(0) $ 和 $ g'(x) $
由上式:
$g(x) = \int_0^x \sin(u^2) \, du
\Rightarrow g(0) = 0$
由微积分基本定理:
$g'(x) = \sin(x^2)$
继续求导:
$g''(x) = \frac{d}{dx} \sin(x^2) = 2x \cos(x^2)$
第三步:解微分方程或分析 $ f(x) $ 在 $ x=0 $ 的性质
微分方程:
$y' - x y = g(x), \quad y(0) = 1$
这是一个一阶线性微分方程,我们可以用积分因子法求解,但题目不要求具体解,只问 $ x=0 $ 处的性质(极值、拐点等),所以我们只需分析 $ f(x) $ 在 $ x=0 $ 附近的导数和二阶导数。
记 $ f(x) $ 是满足该方程的解,且 $ f(0) = 1 $。
我们来逐阶求导 $ f(x) $ 在 $ x=0 $ 处的值。
1. 求 $ f'(0) $
由微分方程:
$f'(x) = x f(x) + g(x)$
代入 $ x = 0 $:
$f'(0) = 0 \cdot f(0) + g(0) = 0 + 0 = 0$
所以:一阶导数为 0,说明 $ x=0 $ 是驻点,可能是极值点或拐点。
2. 求 $ f''(0) $
对 $ f'(x) = x f(x) + g(x) $ 两边求导:
$f''(x) = \frac{d}{dx} [x f(x)] + g'(x) = f(x) + x f'(x) + g'(x)$
代入 $ x = 0 $:
$f''(0) = f(0) + 0 \cdot f'(0) + g'(0) = 1 + 0 + \sin(0^2) = 1 + 0 = 1$
所以:二阶导数 $ f''(0) = 1 > 0 $
3. 分析极值
由于:
- $ f'(0) = 0 $
- $ f''(0) = 1 > 0 $
根据极值的二阶导数判别法,函数在 $ x=0 $ 处取得极小值。
4. 是否为拐点?
拐点要求:二阶导数变号,且通常 $ f''(x_0) = 0 $ 或不存在。
但这里 $ f''(0) = 1 \ne 0 $,且连续(因为 $ f(x), f'(x), g'(x) $ 都连续),所以 $ f''(x) $ 在 $ x=0 $ 附近为正,不会变号。
因此,$ (0, f(0)) $ 不是拐点。
结论
- $ f'(0) = 0 $,$ f''(0) > 0 $ → 极小值点
- 不是拐点
所以正确选项是:
$\boxed{\text{(B) 在点 } x=0 \text{ 处 } f(x) \text{ 取极小值。}}$
答案:\boxed{B}
解析
考查要点:本题主要考查微分方程解的性质分析,涉及变上限积分求导、极值与拐点的判定。
解题核心思路:
- 处理积分函数:通过变量替换将积分转化为标准形式,简化求导过程。
- 分析微分方程解的导数:利用微分方程表达式逐阶求解一阶、二阶导数在$x=0$处的值。
- 极值与拐点判定:结合导数符号判断极值类型,通过二阶导数变号性判断拐点。
破题关键点:
- 变量替换简化积分:将积分$\int_0^x \sin((x-t)^2) dt$转化为$\int_0^x \sin(u^2) du$,便于求导。
- 逐阶求导:通过微分方程递推求解$f'(0)$和$f''(0)$,确定驻点性质。
- 二阶导数符号分析:直接判断极小值,结合拐点定义排除拐点可能性。
步骤1:化简积分函数$g(x)$
令$u = x - t$,则$dt = -du$,积分上下限变换后得:
$g(x) = \int_0^x \sin((x-t)^2) dt = \int_0^x \sin(u^2) du$
步骤2:求$g(x)$的导数
根据微积分基本定理:
$g'(x) = \sin(x^2), \quad g''(x) = 2x \cos(x^2)$
步骤3:分析微分方程解$f(x)$的导数
微分方程为$y' - xy = g(x)$,即:
$f'(x) = x f(x) + g(x)$
代入$x=0$:
$f'(0) = 0 \cdot f(0) + g(0) = 0$
对$f'(x)$求导:
$f''(x) = f(x) + x f'(x) + g'(x)$
代入$x=0$:
$f''(0) = f(0) + 0 + g'(0) = 1 + 0 = 1$
步骤4:极值与拐点判定
- 极值:$f'(0)=0$且$f''(0)=1>0$,说明$x=0$是极小值点。
- 拐点:$f''(0)=1 \neq 0$且二阶导数在$x=0$附近不变号,故不是拐点。