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CalcGospel 國際數學圖譜
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IAL 2023 Oct Q1

A Level / Edexcel / P3

IAL 2023 Oct Paper · Question 1

题目

Problem

A curve has equation y=f(x)y=f(x) where

f(x)=x25x+exxRf(x)=x^2-5x+e^x\qquad x\in\mathbb{R}

(a) Show that the equation f(x)=0f(x)=0 has a root, α\alpha, in the interval [1,2][1,2]

(2)

The iterative formula

xn+1=5xnexnx_{n+1}=\sqrt{5x_n-e^{x_n}}

with x1=1x_1=1 is used to find an approximate value for the root α\alpha.

(b) (i) Find the value of x2x_2 to 4 decimal places.

(ii) Find, by repeated iteration, the value of α\alpha, giving your answer to 4 decimal places.

(3)
题目中文翻译

一条曲线的方程为 y=f(x)y=f(x),其中

f(x)=x25x+exxRf(x)=x^2-5x+e^x\qquad x\in\mathbb{R}

(a) 证明方程 f(x)=0f(x)=0 在区间 [1,2][1,2] 内有一个根 α\alpha

使用迭代公式

xn+1=5xnexnx_{n+1}=\sqrt{5x_n-e^{x_n}}

x1=1x_1=1,来求根 α\alpha 的近似值。

(b) (i) 求 x2x_2 的值,精确到小数点后 4 位。

(ii) 用重复迭代求 α\alpha 的值,答案精确到小数点后 4 位。

解答

(a)

解法一

思路

展开

分别计算区间两个端点处的函数值并比较符号。由于多项式函数与指数函数都连续,ff[1,2][1,2] 上连续;若端点函数值异号,便可由介值定理证明区间内存在根。

答题过程

展开

At the endpoints of the interval,

f(1)=125(1)+e=e4=1.2817<0,\begin{align*} f(1)=&\,1^2-5(1)+e\\[4mm] =&\,e-4\\[4mm] =&\,-1.2817\ldots<0, \end{align*}

whereas

f(2)=225(2)+e2=e26=1.3891>0.\begin{align*} f(2)=&\,2^2-5(2)+e^2\\[4mm] =&\,e^2-6\\[4mm] =&\,1.3891\ldots>0. \end{align*}

The function ff is continuous on [1,2][1,2]. Since f(1)f(1) and f(2)f(2) have opposite signs, there is a root α\alpha in [1,2][1,2] by the Intermediate Value Theorem.

(b)(i)

解法一

思路

展开

把初值 x1=1x_1=1 代入题目给出的正确迭代公式,直接计算 x2x_2

答题过程

展开

Using x1=1x_1=1,

x2=5x1ex1=5e=1.510535\begin{align*} x_2 =&\,\sqrt{5x_1-e^{x_1}}\\[4mm] =&\,\sqrt{5-e}\\[4mm] =&\,1.510535\ldots \end{align*}

Therefore, to 44 decimal places,

x2=1.5105.\boxed{x_2=1.5105}.

(b)(ii)

解法一

思路

展开

继续使用同一迭代公式。必须展示若干次迭代,而不能只给出计算器产生的最终值;当连续迭代值精确到小数点后 4 位均为同一个数时,即可写出近似根。

答题过程

展开

Repeated use of

xn+1=5xnexnx_{n+1}=\sqrt{5x_n-e^{x_n}}

gives

x2=1.5105357x3=1.7388278x4=1.7330522x5=1.7341754x6=1.7339613x7=1.7340023x8=1.7339945x9=1.7339960\begin{align*} x_2=&\,1.5105357\ldots\\[2mm] x_3=&\,1.7388278\ldots\\[2mm] x_4=&\,1.7330522\ldots\\[2mm] x_5=&\,1.7341754\ldots\\[2mm] x_6=&\,1.7339613\ldots\\[2mm] x_7=&\,1.7340023\ldots\\[2mm] x_8=&\,1.7339945\ldots\\[2mm] x_9=&\,1.7339960\ldots \end{align*}

The iterates have converged to the same value to 44 decimal places. Hence,

α=1.7340.\boxed{\alpha=1.7340}.