题目
Problem
A curve C has equation y=f(x).
The point P with x coordinate 3 lies on C.
Given
- f′(x)=4x2+kx+3 where k is a constant
- the normal to C at P has equation y=−241x+5
(a) show that k=−5.
(3)
(b) Hence find f(x).
(4)
解答
(a)
解法一
思路
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法线斜率是 −241,所以切线斜率是它的负倒数,也就是 24。而切线斜率就是 f′(3),由此可求 k。
答题过程
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The normal has gradient
−241.
Therefore the tangent has gradient
24.
Since P has x coordinate 3,
f′(3)=24.
Now
f′(3)===4(3)2+k(3)+336+3k+33k+39.
So
3k+39=3k=k=24−15−5.
This is the required result.
(b)
解法一
思路
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由 (a) 得到 f′(x)=4x2−5x+3,积分后会有常数 c。题目给了法线方程,并且 P 的 x 坐标是 3,所以可以先用法线方程求出 P 的 y 坐标,再代入 f(x) 求 c。
答题过程
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Using k=−5,
f′(x)=4x2−5x+3.
Integrate:
f(x)==∫(4x2−5x+3)dx34x3−25x2+3x+c.
Since P lies on the normal and has x=3,
y===−241(3)+5−81+5839.
So P=(3,839).
Substitute this into f(x):
839===34(3)3−25(3)2+3(3)+c36−245+9+c245+c.
Hence
c===839−245839−8180−8141.
Therefore
f(x)=34x3−25x2+3x−8141.
解法二
思路
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微积分基本定理(定积分上限函数法)。
要求原函数 f(x),除了使用不定积分求出常数 c 再代入点求解的常规方法外,也可以直接利用定积分上限函数。
根据微积分基本定理,有:
f(x)−f(x0)=∫x0xf′(t)dt
在本题中,已知点 P 的 x 坐标为 3,通过法线方程求得 P 的 y 坐标(即 f(3))为 839。
因此,我们可以选择 x0=3 作为积分下限,直接写出关于 f(x) 的定积分表达式:
f(x)−f(3)=∫3x(4t2−5t+3)dt
计算该定积分并代入 f(3)=839,可以直接得到 f(x) 的解析式。这种方法在逻辑上极为连贯,将“求导函数的积分”与“代入边界条件”两步融合为了统一的积分计算,展现了更深刻的微积分思维。
答题过程
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Since P lies on the normal and has x=3, we find its y-coordinate:
y===−241(3)+5−81+5839.
So, f(3)=839.
Using the Fundamental Theorem of Calculus:
f(x)−f(3)=f(x)−839=∫3xf′(t)dt∫3x(4t2−5t+3)dt.
Evaluate the definite integral on the right-hand side:
∫3x(4t2−5t+3)dt====[34t3−25t2+3t]3x(34x3−25x2+3x)−(34(3)3−25(3)2+3(3))(34x3−25x2+3x)−(36−245+9)(34x3−25x2+3x)−245.
Substitute this back into the equation:
f(x)−839=f(x)===34x3−25x2+3x−24534x3−25x2+3x−245+83934x3−25x2+3x−8180+83934x3−25x2+3x−8141.
Therefore:
f(x)=34x3−25x2+3x−8141.