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CalcGospel 國際數學圖譜
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FP1 2024 May Q3

A Level / Edexcel / FP1

IAL 2024 May Paper · Question 3

题目

Problem

 f(x)= x3−5x−4x+7\begin{align*} &\,f(x)\\ =&\,x^3-5\sqrt{x}-4x+7 \end{align*} x≥0x\geq0

The equation f(x)=0f(x) = 0 has a root α\alpha in the interval [0.25,1][0.25, 1]

(a) Use linear interpolation once on the interval [0.25,1][0.25, 1] to determine an approximation to α\alpha, giving your answer to 3 decimal places.

(3)

The equation f(x)=0f(x) = 0 has another root β\beta in the interval [1.5,2.5][1.5, 2.5]

(b) Determine f′(x)f'(x)

(2)

(c) Hence, using x0=1.75x_0 = 1.75 as a first approximation to β\beta, apply the Newton–Raphson process once to f(x)f(x) to determine a second approximation to β\beta, giving your answer to 3 decimal places.

(2)
题目中文翻译

已知函数

 f(x)= x3−5x−4x+7\begin{align*} &\,f(x)\\ =&\,x^3-5\sqrt{x}-4x+7 \end{align*} x≥0x\geq0

方程 f(x)=0f(x) = 0 在区间 [0.25,1][0.25, 1] 内有一个根 α\alpha。

(a) 在区间 [0.25,1][0.25, 1] 上应用一次线性插值法来确定 α\alpha 的近似值,结果保留 3 位小数。

(3)

方程 f(x)=0f(x) = 0 在区间 [1.5,2.5][1.5, 2.5] 内有另一个根 β\beta。

(b) 求出 f′(x)f'(x)。

(2)

(c) 以 x0=1.75x_0 = 1.75 作为 β\beta 的首次近似值,对 f(x)f(x) 应用一次 Newton–Raphson 迭代法来确定 β\beta 的第二次近似值,结果保留 3 位小数。

(2)

解答

(a)

解法一

思路

展开

先计算区间两端的函数值,再把两端点之间的曲线近似为直线。使用线性插值公式求这条直线与 xx 轴的交点。

答题过程

展开

At the endpoints,

f(0.25)=3.515625f(0.25)=3.515625

and

f(1)=−1.f(1)=-1.

Using linear interpolation,

α= 0.25f(1)−1f(0.25)f(1)−f(0.25)= 0.25(−1)−3.515625−1−3.515625= 0.8339100346….\begin{align*} \alpha =&\,\frac{0.25f(1)-1f(0.25)} {f(1)-f(0.25)}\\ =&\,\frac{0.25(-1)-3.515625} {-1-3.515625}\\ =&\,0.8339100346\ldots. \end{align*}

Therefore, to 3 decimal places,

α≈0.834.\boxed{\alpha\approx0.834}.

(b)

解法一

思路

展开

先把根号写成 x1/2x^{1/2},再逐项使用幂函数求导法则。

答题过程

展开

Writing x=x1/2\sqrt{x}=x^{1/2},

f′(x)= 3x2−52x−12−4.\begin{align*} f'(x) =&\,3x^2-\frac52x^{-\frac12}-4. \end{align*}

Hence,

f′(x)=3x2−52x−4.\boxed{f'(x)=3x^2-\frac{5}{2\sqrt{x}}-4}.

(c)

解法一

思路

展开

承接 (b) 的导函数,把 x0=1.75x_0=1.75 代入 Newton–Raphson 公式,只迭代一次,并将第二次近似值保留 3 位小数。

答题过程

展开

Using

xn+1=xn−f(xn)f′(xn),x_{n+1}=x_n-\frac{f(x_n)}{f'(x_n)},

we have

 f(1.75)= 1.753−51.75 −4(1.75)+7= −1.255003277661…\begin{align*} &\,f(1.75)\\ =&\,1.75^3-5\sqrt{1.75}\\ &\,\hspace{2pt}-4(1.75)+7\\ =&\,-1.255003277661\ldots \end{align*}

and

 f′(1.75)= 3(1.75)2 −521.75−4= 3.297677634953….\begin{align*} &\,f'(1.75)\\ =&\,3(1.75)^2\\ &\,\hspace{2pt}-\frac5{2\sqrt{1.75}}-4\\ =&\,3.297677634953\ldots. \end{align*}

Therefore,

 x1= 1.75−f(1.75)f′(1.75)≈ 1.75−−1.2550032783.297677635≈ 2.130571850.\begin{align*} &\,x_1\\ =&\,1.75-\frac{f(1.75)}{f'(1.75)}\\ \approx&\,1.75-\frac{-1.255003278}{3.297677635}\\ \approx&\,2.130571850. \end{align*}

Hence, to 3 decimal places,

β≈2.131.\boxed{\beta\approx2.131}.