已知函数 f(x)f(x) 满足 f′(x)=sin⁡2x+cos⁡3xf'(x) = \sin 2x + \cos 3x。又已知 f(π6)=0f\left(\frac{\pi}{6}\right) = 0, 证明 f′′(x)+9f(x)=−34−52cos⁡2xf''(x) + 9f(x) = -\frac{3}{4} - \frac{5}{2}\cos 2x。

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完整解法

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1. Find the second derivative $f''(x)$ by differentiating $f'(x)$.

f′′(x)=ddx(sin⁡2x+cos⁡3x)=2cos⁡2x−3sin⁡3xf''(x) = \frac{d}{dx}(\sin 2x + \cos 3x) = 2\cos 2x - 3\sin 3x

2. Find the general expression for $f(x)$ by integrating $f'(x)$.

f(x)=∫(sin⁡2x+cos⁡3x) dx=−12cos⁡2x+13sin⁡3x+Cf(x) = \int (\sin 2x + \cos 3x) \, dx = -\frac{1}{2}\cos 2x + \frac{1}{3}\sin 3x + C

3. Use the given condition $f\left(\frac{\pi}{6}\right) = 0$ to find the constant of integration $C$.

f(π6)=−12cos⁡(2⋅π6)+13sin⁡(3⋅π6)+C=0f\left(\frac{\pi}{6}\right) = -\frac{1}{2}\cos\left(2 \cdot \frac{\pi}{6}\right) + \frac{1}{3}\sin\left(3 \cdot \frac{\pi}{6}\right) + C = 0
−12cos⁡(π3)+13sin⁡(π2)+C=0-\frac{1}{2}\cos\left(\frac{\pi}{3}\right) + \frac{1}{3}\sin\left(\frac{\pi}{2}\right) + C = 0
−12(12)+13(1)+C=0-\frac{1}{2}\left(\frac{1}{2}\right) + \frac{1}{3}(1) + C = 0
−14+13+C=0-\frac{1}{4} + \frac{1}{3} + C = 0
C=14−13=−112C = \frac{1}{4} - \frac{1}{3} = -\frac{1}{12}
So, f(x)=−12cos⁡2x+13sin⁡3x−112f(x) = -\frac{1}{2}\cos 2x + \frac{1}{3}\sin 3x - \frac{1}{12}.

4. Substitute $f''(x)$ and $f(x)$ into the expression $f''(x) + 9f(x)$ and simplify to show the required result.

f′′(x)+9f(x)=(2cos⁡2x−3sin⁡3x)+9(−12cos⁡2x+13sin⁡3x−112)f''(x) + 9f(x) = (2\cos 2x - 3\sin 3x) + 9\left(-\frac{1}{2}\cos 2x + \frac{1}{3}\sin 3x - \frac{1}{12}\right)
=2cos⁡2x−3sin⁡3x−92cos⁡2x+3sin⁡3x−912= 2\cos 2x - 3\sin 3x - \frac{9}{2}\cos 2x + 3\sin 3x - \frac{9}{12}
=(2−92)cos⁡2x+(−3+3)sin⁡3x−34= \left(2 - \frac{9}{2}\right)\cos 2x + (-3 + 3)\sin 3x - \frac{3}{4}
=−52cos⁡2x−34= -\frac{5}{2}\cos 2x - \frac{3}{4}
=−34−52cos⁡2x(Shown)= -\frac{3}{4} - \frac{5}{2}\cos 2x \quad \text{(Shown)}

答案

Shown.

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