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2021年11月5日 星期五

2018印度理工學院入學考試高級試(JEE Advanced)的一題微分方程初始值問題

==問題== 

(譯文)

設可微函數$f : \mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R}$滿足$f(0) = 1$且對於任意實數$x, y$有

$$f(x+y) = f(x)f'(y) + f'(x)f(y).$$

試求出$\ln f(4)$之值。

(原文)

Let $f : \mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R}$ be a differentiable function with $f(0) = 1$ and satisfying the equation

$$f(x+y) = f(x)f'(y) + f'(x)f(y) \,\, \text{for all}\,\, x, y \in \mathbb{R}.$$

Then the value of $\ln f(4)$ is     .

==解答==

($1^\circ$)

$$\begin{align*} &f(0) = f(0+0) = f(0)f'(0) + f'(0)f(0) \\ \Rightarrow &f(0) = 2f(0)f'(0) \\ \Rightarrow &1 = 2\cdot 1 \cdot f'(0) \\ \Rightarrow &f'(0) = \frac{1}{2}. \end{align*}$$

($2^\circ$)

$$\begin{align*} &f(x) = f(0+x)=f(0)f'(x)+f'(0)f(x) = 1\cdot y' + \frac{1}{2} y \\ \Rightarrow &y = y' + \frac{1}{2} y \\ \Rightarrow &y' = \frac{1}{2}y \\ \Rightarrow & y = e^{\frac{1}{2}x} + C.  \end{align*}$$

$x = 0$代入,得

$$1 = e^{\frac{1}{2}\cdot 0} + C.$$

故$C = 0$,即

$$y = e^{\frac{1}{2}x}.$$

所以

$$\ln f(4) = \ln e^{\frac{1}{2} \cdot 4} = \ln e^2 = 2.$$

==評論==

輕而易舉

2018年5月24日 星期四

印度理工學院(IIT)聯合入學考試-主試(JEE Main),2018,實體試(offline),卷1(Paper 1),A套,第77題

==問題==


設$y = y(x)$是微分方程
$$\sin x \frac{dy}{dx} + y \cos x = 4x, \quad x \in (0, \pi)$$
的解。若$\displaystyle y \left( \frac{\pi}{2} \right) = 0$,則$\displaystyle y \left( \frac{\pi}{6} \right)=$?

(1) $\displaystyle \frac{4}{9 \sqrt{3}} \pi^2$
(2) $\displaystyle \frac{-8}{9 \sqrt{3}} \pi^2$
(3) $\displaystyle -\frac{8}{9} \pi^2$
(4) $\displaystyle -\frac{4}{9} \pi^2$

==答案==

(3)

==解答==

將題目的微分方程式稍微改寫為
$$\frac{dy}{dx} \sin x + y \cos x = 4x,$$
然後
$$\frac{dy}{dx} \sin x + y \frac{d \sin x}{dx} = 4x.$$
聯想乘積的求導公式
$$\frac{d}{dx} fg = f'g + fg'.$$
得到
$$\frac{d}{dx} (y \sin x) = 4x.$$
左右同時對$x$積分,
$$\int \frac{d}{dx} (y \sin x) \, {\rm d}x = \int 4x \, {\rm d}x.$$
於是
$$y \sin x = 2x^2 + C.$$
這裡$C$為待定常數。

將初始條件$\displaystyle y \left( \frac{\pi}{2} \right) = 0$代入上式,得
$$0 = \frac{\pi^2}{2} + C.$$
解出$C = -\frac{\pi^2}{2}$。所以
$$y(x) = \frac{2x^2 - \frac{\pi^2}{2}}{\sin x}.$$

因此所求
$$y \left( \frac{\pi}{6} \right) = \frac{2 \left( \frac{\pi}{6} \right)^2 - \frac{\pi^2}{2}}{1/2} = -\frac{8}{9}\pi^2.$$
(解答結束)