题目
Problem
f(x)=xcos(3x)x>0
(a) Find f′(x).
(2)
(b) Show that the equation f′(x)=0 can be written as
x=karctan(xk)
where k is an integer to be found.
(2)
(c) Starting with x1=2.5 use the iteration formula
xn+1=karctan(xnk)
with the value of k found in part (b), to calculate the values of x2 and x6 giving your answers to 3 decimal places.
(2)
(d) Using a suitable interval and a suitable function that should be stated, show that a root of f′(x)=0 is 2.581 correct to 3 decimal places.
(2)
题目中文翻译
f(x)=xcos(3x)x>0
(a) 求 f′(x)。
(b) 证明方程 f′(x)=0 可写为
x=karctan(xk)
其中 k 为待求整数。
(c) 取 x1=2.5,并使用迭代公式
xn+1=karctan(xnk)
其中 k 取自(b)中的结果,计算 x2 和 x6 的值,答案精确到小数点后 3 位。
(d) 选取合适区间并写出合适函数,证明 f′(x)=0 的一个根为 2.581(精确到小数点后 3 位)。
解答
(a)
解法一
思路
展开
把 x 与 cos(x/3) 看成两个因子,使用乘积法则及链式法则求导。
答题过程
展开
We have
f(x)=xcos(3x)
Differentiate using the product rule:
f′(x)=cos(3x)−3xsin(3x)
Therefore
f′(x)=cos(3x)−3xsin(3x)
(b)
解法一
思路
展开
驻点满足 f′(x)=0。把所得方程整理成题目给定的定点迭代形式,并与 x=karctan(k/x) 比较。
答题过程
展开
Set
f′(x)=0
So
cos(3x)−3xsin(3x)=0
Rearrange:
cos(3x)=3xsin(3x)
Divide by
cos(3x)
and by 3x:
tan(3x)=x3
Taking arctan,
3x=arctan(x3)
Therefore
x=3arctan(x3)
So
k=3
(c)
解法一
思路
展开
使用上一问得到的 k=3 及给定初值,连续代入迭代公式并按题目要求取三位小数。
答题过程
展开
Using
k=3
the iteration formula is
xn+1=3arctan(xn3)
with
x1=2.5
Now
x2=3arctan(2.53)
So
x2=2.628174…
Continuing the iteration:
x2=x3=x4=x5=x6=2.628174…2.554102…2.596527…2.572101…2.586122…
Therefore
x2=2.628,x6=2.586
to 3 decimal places.
(d)
解法一
思路
展开
在四舍五入到 2.581 的边界 2.5805 与 2.5815 处计算 f′(x)。连续函数在两端异号,故根位于该区间内。
答题过程
展开
Use the function
F(x)=f′(x)=cos(3x)−3xsin(3x)
To show that the root is 2.581 to 3 decimal places, check the interval
2.5805<x<2.5815
Now
F(2.5805)=0.000346…>0
and
F(2.5815)=−0.000346…<0
Since F(x) is continuous and changes sign in this interval, there is a root between 2.5805 and 2.5815.
Therefore the root is
2.581
to 3 decimal places.
解法二
思路
展开
官方评分资料也接受直接对定点方程构造 h(x)=x−3arctan(3/x)。同样检查四舍五入边界处的符号变化。
答题过程
展开
Define
h(x)=x−3arctan(x3).
Then
h(2.5805)=−0.000788…<0
and
h(2.5815)=0.000786…>0.
Since h is continuous for x>0 and changes sign on
[2.5805,2.5815], it has a root in this interval. Therefore the root is
2.581
to 3 decimal places.