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CalcGospel 國際數學圖譜
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P2 2022 Oct Q2

A Level / Edexcel / P2

IAL 2022 Oct Paper · Question 2

题目

Problem

A curve CC has equation y=f(x)y = \mathrm{f}(x) where

f(x)=(2−kx)5\mathrm{f}(x) = (2 - kx)^5

and kk is a constant.

Given that when f(x)\mathrm{f}(x) is divided by (4x−5)(4x - 5) the remainder is 24332\dfrac{243}{32}

(a) show that k=25k = \dfrac{2}{5}

(2)

(b) Find the first three terms, in ascending powers of xx, of the binomial expansion of

(2−25x)5\Big(2 - \frac{2}{5}x\Big)^5

giving each term in simplest form.

(3)

Using the solution to part (b) and making your method clear,

(c) find the gradient of CC at the point where x=0x = 0

(2)
题目中文翻译

曲线 CC 的方程为 y=f(x)y=\mathrm{f}(x),其中 f(x)=(2−kx)5\mathrm{f}(x)=(2-kx)^5,kk 是常数。

已知 f(x)\mathrm{f}(x) 除以 4x−54x-5 的余数为 243/32243/32。

(a) 证明 k=2/5k=2/5。(2 分)

(b) 求 (2−25x)5(2-\frac25x)^5 的二项式展开中按 xx 升幂排列的前三项,将每一项写成最简形式。(3 分)

使用 (b) 的结果,并清楚展示方法,

(c) 求曲线 CC 在 x=0x=0 处的斜率。(2 分)

解答

(a)

解法一

思路

展开

根据余数定理(Remainder Theorem),当多项式 f(x)\mathrm{f}(x) 除以一次因式 (ax−b)(ax - b) 时,所得的余数等于 f(ba)\mathrm{f}\Big(\dfrac{b}{a}\Big)。 在本题中,除式为 4x−54x - 5,令其为零得到 x=54x = \dfrac{5}{4}。 因此余数可以表示为 f(54)\mathrm{f}\Big(\dfrac{5}{4}\Big),我们将其代入原方程并等于已知余数 24332\dfrac{243}{32}:

(2−k⋅54)5=24332\Big(2 - k \cdot \frac{5}{4}\Big)^5 = \frac{243}{32}

由于 243=35243 = 3^5 且 32=2532 = 2^5,上式右边即为 (32)5\Big(\dfrac{3}{2}\Big)^5。两边同时开五次方根即可解出 kk。

答题过程

展开

According to the Remainder Theorem, when f(x)\mathrm{f}(x) is divided by (4x−5)(4x - 5), the remainder is f(54)\mathrm{f}\Big(\dfrac{5}{4}\Big).

Given that the remainder is 24332\dfrac{243}{32}:

f(54)= 24332(2−k⋅54)5= 24332\begin{align*} \mathrm{f}\Big(\frac{5}{4}\Big) =&\, \frac{243}{32} \\ \Big(2 - k \cdot \frac{5}{4}\Big)^5 =&\, \frac{243}{32} \end{align*}

Taking the 5th5\text{th} root of both sides:

2−54k= 2433252−54k= 3254k= 2−3254k= 12k= 12×45k= 25(proven)\begin{align*} 2 - \frac{5}{4}k =&\, \sqrt[5]{\frac{243}{32}} \\ 2 - \frac{5}{4}k =&\, \frac{3}{2} \\ \frac{5}{4}k =&\, 2 - \frac{3}{2} \\ \frac{5}{4}k =&\, \frac{1}{2} \\ k =&\, \frac{1}{2} \times \frac{4}{5} \\ k =&\, \frac{2}{5} \quad \text{(proven)} \end{align*}

解法二:代入验证

思路

展开

题目给出了要证明的 kk。代入 k=2/5k=2/5,用余数定理验证除以 4x−54x-5 的余数恰为 243/32243/32;五次方在实数范围内单调,因此这个值是唯一的。

答题过程

展开

For k=2/5k=2/5, the Remainder Theorem gives

f(54)= (2−25×54)5= (32)5= 24332.\begin{align*} \mathrm{f}\Big(\frac54\Big)=&\,\Big(2-\frac25\times\frac54\Big)^5\\ =&\,\Big(\frac32\Big)^5\\ =&\,\frac{243}{32}. \end{align*}

This is the given remainder, so k=2/5k=2/5, as required.


(b)

解法一

思路

展开

使用二项式定理(Binomial Theorem)展开式公式:

(a+b)n=an+(n1)an−1b+(n2)an−2b2+⋯(a + b)^n = a^n + \binom{n}{1}a^{n-1}b + \binom{n}{2}a^{n-2}b^2 + \cdots

这里 a=2a = 2,b=−25xb = -\dfrac{2}{5}x,n=5n = 5。我们需要求前三项(即含 x0x^0, x1x^1 和 x2x^2 的项),并将其系数化简到最简形式。

答题过程

展开

Using the binomial expansion formula for (2−25x)5\Big(2 - \dfrac{2}{5}x\Big)^5:

(2−25x)5= 25+5(2)4(−25x) +10(2)3(−25x)2+⋯= 32+5×16×(−25x) +10×8×(425x2)+⋯= 32−32x+645x2+⋯\begin{align*} \Big(2-\frac25x\Big)^5 =&\,2^5+5(2)^4\Big(-\frac25x\Big)\\ &\,\hspace{2pt}+10(2)^3\Big(-\frac25x\Big)^2+\cdots\\ =&\,32+5\times16\times\Big(-\frac25x\Big)\\ &\,\hspace{2pt}+10\times8\times\Big(\frac4{25}x^2\Big)+\cdots\\ =&\, 32 - 32x + \frac{64}{5}x^2 + \cdots \end{align*}

Thus, the first three terms in ascending powers of xx are:

32−32x+12.8x2(or 32−32x+645x2)32 - 32x + 12.8x^2 \quad \Big(\text{or } 32 - 32x + \frac{64}{5}x^2\Big)

解法二:先提取常数因子

思路

展开

先提取 25=322^5=32,再展开 (1−x/5)5(1-x/5)^5。先处理括号内的较小系数,最后乘回 32。

答题过程

展开 (2−25x)5= 32(1−x5)5= 32[1+5(−x5) +10(−x5)2+⋯]= 32(1−x+25x2+⋯)= 32−32x+645x2+⋯ .\begin{align*} \Big(2-\frac25x\Big)^5=&\,32\Big(1-\frac{x}{5}\Big)^5\\ =&\,32\Big[1+5\Big(-\frac x5\Big)\\ &\,\hspace{2pt}+10\Big(-\frac x5\Big)^2+\cdots\Big]\\ =&\,32\Big(1-x+\frac25x^2+\cdots\Big)\\ =&\,32-32x+\frac{64}{5}x^2+\cdots. \end{align*}

The first three terms are 32−32x+645x232-32x+\dfrac{64}{5}x^2.


(c)

解法一:利用 (b) 的二项式展开式求导

思路

展开

曲线 CC 在某一点处的斜率(Gradient)等于其导数 f′(x)\mathrm{f}'(x) 在该点的值。 题目要求**“利用 (b) 的结论”**,因此我们需要将 (b) 中求得的展开式对 xx 求导:

f(x)=32−32x+645x2+⋯\mathrm{f}(x) = 32 - 32x + \frac{64}{5}x^2+\cdots

省略项都至少含 x3x^3;求导后都至少含 x2x^2,在 x=0x=0 时为零。因此求导后代入 x=0x=0,可得 f′(0)=−32\mathrm{f}'(0) = -32。

答题过程

展开

From part (b), the expansion of C:y=f(x)C: y = \mathrm{f}(x) for the first three terms is:

y=32−32x+645x2+⋯y = 32 - 32x + \frac{64}{5}x^2+\cdots

Differentiating with respect to xx:

dydx= ddx(32−32x+645x2+⋯)= −32+1285x+⋯\begin{align*} \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} =&\, \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\Big(32 - 32x + \frac{64}{5}x^2 + \cdots\Big) \\ =&\, -32 + \frac{128}{5}x + \cdots \end{align*}

At the point where x=0x = 0:

dydx∣x=0= −32+0= −32\begin{align*} \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}\bigg|_{x=0} =&\, -32 + 0 \\ =&\, -32 \end{align*}

Therefore, the gradient of CC at x=0x = 0 is −32-32.

解法二:直接求导法(链式法则验算)

思路

展开

仅作验算,不能代替题目指定的使用 (b) 的方法。我们也可以直接对原函数 (2−25x)5(2 - \frac{2}{5}x)^5 运用链式法则(Chain Rule)求导并代入 x=0x = 0。

答题过程

展开

We can differentiate the original function y=(2−25x)5y = \Big(2 - \dfrac{2}{5}x\Big)^5 using the chain rule:

dydx= 5(2−25x)4×(−25)= −2(2−25x)4\begin{align*} \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} =&\, 5\Big(2 - \frac{2}{5}x\Big)^4 \times \Big(-\frac{2}{5}\Big) \\ =&\, -2\Big(2 - \frac{2}{5}x\Big)^4 \end{align*}

At the point where x=0x = 0:

dydx∣x=0= −2(2−0)4= −2(16)= −32\begin{align*} \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}\bigg|_{x=0} =&\, -2(2 - 0)^4 \\ =&\, -2(16) \\ =&\, -32 \end{align*}