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CalcGospel 國際數學圖譜
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CIE 9709 2024 March Paper 32 Q10

A Level / CIE / P3

CIE 9709 2024 March Paper 32 Paper · Question 10

题目

Problem

Let f(x)=36a2(2a+x)(2a−x)(5a−2x)\mathrm{f}(x)=\dfrac{36a^2}{(2a+x)(2a-x)(5a-2x)}, where aa is a positive constant.

(a) Express f(x)\mathrm{f}(x) in partial fractions.

(5)

(b) Hence find the exact value of ∫−aaf(x) dx\displaystyle\int_{-a}^a\mathrm{f}(x)\,\mathrm{d}x, giving your answer in the form pln⁡q+rln⁡sp\ln q+r\ln s where pp and rr are integers and qq and ss are prime numbers.

(5)
题目中文翻译

设 f(x)=36a2(2a+x)(2a−x)(5a−2x)\mathrm{f}(x)=\dfrac{36a^2}{(2a+x)(2a-x)(5a-2x)},其中 aa 为正常数。

(a) 将 f(x)\mathrm{f}(x) 表示为部分分式。

(5)

(b) 由此求 ∫−aaf(x) dx\displaystyle\int_{-a}^a\mathrm{f}(x)\,\mathrm{d}x 的精确值,将答案表示为 pln⁡q+rln⁡sp\ln q+r\ln s 的形式,其中 pp 和 rr 为整数,qq 和 ss 为质数。

(5)
原卷通用作答要求

Answer all questions. You should use a calculator where appropriate.

You must show all necessary working clearly; no marks will be given for unsupported answers from a calculator.

Give non-exact numerical answers correct to 3 significant figures, or 1 decimal place for angles in degrees, unless a different level of accuracy is specified in the question.

请回答所有题目。适当时应使用计算器。必须清楚展示所有必要的计算过程;仅给出计算器答案而没有过程,不予评分。除非题目另有精度要求,非精确数值答案保留 3 位有效数字,以度为单位的角度保留 1 位小数。

解答

(a)

解法一

思路

展开

分母有三个不同的一次因子,设三个常数分式。清分母后分别代入使一个因子为零的值,利用 a>0a>0 求系数。

答题过程

展开

Write

f(x)=A2a+x+B2a−x+C5a−2x.\mathrm f(x)=\frac{A}{2a+x}+\frac{B}{2a-x}+\frac{C}{5a-2x}.

Clearing denominators,

36a2= A(2a−x)(5a−2x) +B(2a+x)(5a−2x) +C(2a+x)(2a−x).\begin{align*} 36a^2=&\,A(2a-x)(5a-2x)\\[4mm] &\,\hspace{2pt}+B(2a+x)(5a-2x)\\[4mm] &\,\hspace{4pt}+C(2a+x)(2a-x). \end{align*}

At x=−2ax=-2a,

36a2=A(4a)(9a),A=1.36a^2=A(4a)(9a),\qquad A=1.

At x=2ax=2a,

36a2=B(4a)(a),B=9.36a^2=B(4a)(a),\qquad B=9.

At x=5a/2x=5a/2,

36a2=C(9a2)(−a2),C=−16.36a^2=C\bigg(\frac{9a}{2}\bigg)\bigg(-\frac a2\bigg), \qquad C=-16.

Therefore

f(x)=12a+x+92a−x−165a−2x.\boxed{\mathrm f(x)=\frac1{2a+x} +\frac9{2a-x}-\frac{16}{5a-2x}}.

(b)

解法一

思路

展开

利用(a)逐项积分,注意分母导数的负号及系数。由于 a>0a>0,在积分区间三个对数的真数都为正;代入端点后参数 aa 应相消。

答题过程

展开

For −a≤x≤a-a\le x\le a and a>0a>0, all three linear factors are positive. Since the derivatives of 2a−x2a-x and 5a−2x5a-2x are −1-1 and −2-2, the last two integral coefficients are −9-9 and (−16)/(−2)=8(-16)/(-2)=8. Thus

I= [ln⁡(2a+x)−9ln⁡(2a−x)+8ln⁡(5a−2x)]−aa= [ln⁡(3a)−9ln⁡a+8ln⁡(3a)] −[ln⁡a−9ln⁡(3a)+8ln⁡(7a)]= 18ln⁡(3a)−10ln⁡a−8ln⁡(7a)= 18(ln⁡3+ln⁡a)−10ln⁡a−8(ln⁡7+ln⁡a)= 18ln⁡3−8ln⁡7.\begin{align*} I =&\,\big[\ln(2a+x)-9\ln(2a-x) +8\ln(5a-2x)\big]_{-a}^{a}\\[4mm] =&\,\big[\ln(3a)-9\ln a+8\ln(3a)\big]\\[4mm] &\,\hspace{2pt}-\big[\ln a-9\ln(3a)+8\ln(7a)\big]\\[4mm] =&\,18\ln(3a)-10\ln a-8\ln(7a)\\[4mm] =&\,18(\ln3+\ln a)-10\ln a -8(\ln7+\ln a)\\[4mm] =&\,\boxed{18\ln3-8\ln7}. \end{align*}