求 4xe3x4xe^{3x} 关于 xx 的导数。 由此求 ∫036xe3xdx\int_{0}^{3} 6xe^{3x} \text{d}x 的值,结果用精确形式表示。

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完整解法

3(a)

1. Identify the terms for the product rule and find their derivatives

Let u=4xu = 4x and v=e3xv = e^{3x}.
Then dudx=4\frac{\text{d}u}{\text{d}x} = 4 and dvdx=3e3x\frac{\text{d}v}{\text{d}x} = 3e^{3x}.

2. Apply the product rule and simplify

ddx(4xe3x)=udvdx+vdudx\frac{\text{d}}{\text{d}x}(4xe^{3x}) = u\frac{\text{d}v}{\text{d}x} + v\frac{\text{d}u}{\text{d}x}
=(4x)(3e3x)+(e3x)(4)= (4x)(3e^{3x}) + (e^{3x})(4)
=12xe3x+4e3x= 12xe^{3x} + 4e^{3x}
=4e3x(3x+1)= 4e^{3x}(3x + 1)

答案

4e3x(1+3x)4e^{3x}(1 + 3x)

3(b)

1. Find the derivative of $4xe^{3x}$ from part (a) to use for the 'Hence' method.

ddx(4xe3x)=4e3x+4x(3e3x)=4e3x+12xe3x\frac{\text{d}}{\text{d}x}(4xe^{3x}) = 4e^{3x} + 4x(3e^{3x}) = 4e^{3x} + 12xe^{3x}

2. Use integration as the reverse of differentiation to express the integral of $12xe^{3x}$.

∫(4e3x+12xe3x)dx=4xe3x\int (4e^{3x} + 12xe^{3x}) \text{d}x = 4xe^{3x}
∫12xe3xdx=4xe3x−∫4e3xdx\int 12xe^{3x} \text{d}x = 4xe^{3x} - \int 4e^{3x} \text{d}x

3. Relate the result to the required integral $\int 6xe^{3x} \text{d}x$ and integrate the remaining exponential term.

∫6xe3xdx=12∫12xe3xdx\int 6xe^{3x} \text{d}x = \frac{1}{2} \int 12xe^{3x} \text{d}x
=12(4xe3x−∫4e3xdx)= \frac{1}{2} \left( 4xe^{3x} - \int 4e^{3x} \text{d}x \right)
=2xe3x−∫2e3xdx= 2xe^{3x} - \int 2e^{3x} \text{d}x
=2xe3x−23e3x= 2xe^{3x} - \frac{2}{3}e^{3x}

4. Evaluate the definite integral from $0$ to $3$.

∫036xe3xdx=[2xe3x−23e3x]03\int_{0}^{3} 6xe^{3x} \text{d}x = \left[ 2xe^{3x} - \frac{2}{3}e^{3x} \right]_{0}^{3}
=(2(3)e3(3)−23e3(3))−(2(0)e0−23e0)= \left( 2(3)e^{3(3)} - \frac{2}{3}e^{3(3)} \right) - \left( 2(0)e^{0} - \frac{2}{3}e^{0} \right)
=(6e9−23e9)−(0−23)= \left( 6e^9 - \frac{2}{3}e^9 \right) - \left( 0 - \frac{2}{3} \right)
=163e9+23= \frac{16}{3}e^9 + \frac{2}{3}

答案

163e9+23\frac{16}{3}e^9 + \frac{2}{3}

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