已知 y=xsin⁡x+cos⁡2(x2)y = x\sin x + \cos^2\left(\tfrac{x}{2}\right)。

  1. ((i))

    求 dydx\dfrac{dy}{dx} 的表达式,将其表示为 (xcos⁡x+psin⁡x)(x\cos x + p\sin x) 的形式,其中 pp 为常数。

  2. ((ii))

    由此求常数 kk 的值,使得 ∫0π/22xcos⁡x dx=π+k\displaystyle\int_{0}^{\pi/2} 2x\cos x\,dx = \pi + k。

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完整解法

6((i))

1. Differentiate the product $x\sin x$.

Using the product rule,
ddx(xsin⁡x)=xcos⁡x+sin⁡x.\frac{d}{dx}(x\sin x)=x\cos x+\sin x.

2. Differentiate $\cos^2\left(\frac{x}{2}\right)$ using the chain rule.

ddx[cos⁡2(x2)]=2cos⁡(x2)[−sin⁡(x2)](12)\frac{d}{dx}\left[\cos^2\left(\frac{x}{2}\right)\right] =2\cos\left(\frac{x}{2}\right)\left[-\sin\left(\frac{x}{2}\right)\right]\left(\frac{1}{2}\right)

=−cos⁡(x2)sin⁡(x2).=-\cos\left(\frac{x}{2}\right)\sin\left(\frac{x}{2}\right).

3. Simplify the derivative into the required form $x\cos x+p\sin x$.

Since
2sin⁡(x2)cos⁡(x2)=sin⁡x,2\sin\left(\frac{x}{2}\right)\cos\left(\frac{x}{2}\right)=\sin x,
we have
−cos⁡(x2)sin⁡(x2)=−12sin⁡x.-\cos\left(\frac{x}{2}\right)\sin\left(\frac{x}{2}\right)=-\frac{1}{2}\sin x.
Therefore,
dydx=xcos⁡x+sin⁡x−12sin⁡x=xcos⁡x+12sin⁡x.\frac{dy}{dx}=x\cos x+\sin x-\frac{1}{2}\sin x=x\cos x+\frac{1}{2}\sin x.

答案

dydx=xcos⁡x+12sin⁡x\frac{dy}{dx}=x\cos x+\frac{1}{2}\sin x
Hence, p=12p=\frac{1}{2}.

6((ii))

1. Use the derivative from part (i) to express $2x\cos x$ in a useful form.

From part (i),
dydx=xcos⁡x+12sin⁡x.\frac{dy}{dx}=x\cos x+\frac12\sin x.
Hence,
xcos⁡x=dydx−12sin⁡xx\cos x=\frac{dy}{dx}-\frac12\sin x
so
2xcos⁡x=2dydx−sin⁡x.2x\cos x=2\frac{dy}{dx}-\sin x.

2. Integrate using the rewritten expression.

∫0π/22xcos⁡x dx=∫0π/2(2dydx−sin⁡x)dx\int_0^{\pi/2}2x\cos x\,dx=\int_0^{\pi/2}\left(2\frac{dy}{dx}-\sin x\right)dx
=[2y+cos⁡x]0π/2.=\left[2y+\cos x\right]_0^{\pi/2}.

3. Evaluate $y$ at the upper and lower limits using the given expression.

Given
y=xsin⁡x+cos⁡2(x2).y=x\sin x+\cos^2\left(\frac{x}{2}\right).
At x=π2x=\frac{\pi}{2},
y=π2sin⁡π2+cos⁡2π4y=\frac{\pi}{2}\sin\frac{\pi}{2}+\cos^2\frac{\pi}{4}
=π2+12.=\frac{\pi}{2}+\frac12.
At x=0x=0,
y=0sin⁡0+cos⁡20=1.y=0\sin0+\cos^2 0=1.

4. Complete the definite integral and compare with $\pi+k$.

[2y+cos⁡x]0π/2\left[2y+\cos x\right]_0^{\pi/2}
=(2(π2+12)+cos⁡π2)−(2(1)+cos⁡0)=\left(2\left(\frac{\pi}{2}+\frac12\right)+\cos\frac{\pi}{2}\right)-\left(2(1)+\cos0\right)
=(π+1+0)−(2+1)=(\pi+1+0)-(2+1)
=π−2.=\pi-2.
Since
∫0π/22xcos⁡x dx=π+k,\int_0^{\pi/2}2x\cos x\,dx=\pi+k,
we have
π+k=π−2,\pi+k=\pi-2,
so
k=−2.k=-2.

答案

k=−2k=-2

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