一条满足 d2ydx2=sin⁡3x−cos⁡12x\frac{d^2y}{dx^2} = \sin 3x - \cos \frac{1}{2}x 的曲线通过点 Q(π3,23)Q\left(\frac{\pi}{3}, 2\sqrt{3}\right)。曲线在 QQ 点处的斜率为 1。求该曲线的方程。

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完整解法

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1. Find the expression for $\frac{dy}{dx}$ by integrating $\frac{d^2y}{dx^2}$.

dydx=∫(sin⁡3x−cos⁡12x)dx\frac{dy}{dx} = \int \left(\sin 3x - \cos \frac{1}{2}x\right) dx
dydx=−13cos⁡3x−2sin⁡12x+c\frac{dy}{dx} = -\frac{1}{3}\cos 3x - 2\sin \frac{1}{2}x + c

2. Use the given gradient at $Q$ to find the constant of integration $c$.

At x=π3x = \frac{\pi}{3}, dydx=1\frac{dy}{dx} = 1:
1=−13cos⁡(3(π3))−2sin⁡(12(π3))+c1 = -\frac{1}{3}\cos\left(3\left(\frac{\pi}{3}\right)\right) - 2\sin\left(\frac{1}{2}\left(\frac{\pi}{3}\right)\right) + c
1=−13cos⁡(π)−2sin⁡(π6)+c1 = -\frac{1}{3}\cos(\pi) - 2\sin\left(\frac{\pi}{6}\right) + c
1=−13(−1)−2(12)+c1 = -\frac{1}{3}(-1) - 2\left(\frac{1}{2}\right) + c
1=13−1+c1 = \frac{1}{3} - 1 + c
1=−23+c  ⟹  c=531 = -\frac{2}{3} + c \implies c = \frac{5}{3}
So, dydx=−13cos⁡3x−2sin⁡12x+53\frac{dy}{dx} = -\frac{1}{3}\cos 3x - 2\sin \frac{1}{2}x + \frac{5}{3}

3. Find the expression for $y$ by integrating $\frac{dy}{dx}$.

y=∫(−13cos⁡3x−2sin⁡12x+53)dxy = \int \left(-\frac{1}{3}\cos 3x - 2\sin \frac{1}{2}x + \frac{5}{3}\right) dx
y=−19sin⁡3x+4cos⁡12x+53x+dy = -\frac{1}{9}\sin 3x + 4\cos \frac{1}{2}x + \frac{5}{3}x + d

4. Use the coordinates of $Q$ to find the constant of integration $d$.

At x=π3x = \frac{\pi}{3}, y=23y = 2\sqrt{3}:
23=−19sin⁡(3(π3))+4cos⁡(12(π3))+53(π3)+d2\sqrt{3} = -\frac{1}{9}\sin\left(3\left(\frac{\pi}{3}\right)\right) + 4\cos\left(\frac{1}{2}\left(\frac{\pi}{3}\right)\right) + \frac{5}{3}\left(\frac{\pi}{3}\right) + d
23=−19sin⁡(π)+4cos⁡(π6)+5π9+d2\sqrt{3} = -\frac{1}{9}\sin(\pi) + 4\cos\left(\frac{\pi}{6}\right) + \frac{5\pi}{9} + d
23=0+4(32)+5π9+d2\sqrt{3} = 0 + 4\left(\frac{\sqrt{3}}{2}\right) + \frac{5\pi}{9} + d
23=23+5π9+d2\sqrt{3} = 2\sqrt{3} + \frac{5\pi}{9} + d
d=−5π9d = -\frac{5\pi}{9}

Equation of the curve:
y=−19sin⁡3x+4cos⁡12x+53x−5π9y = -\frac{1}{9}\sin 3x + 4\cos \frac{1}{2}x + \frac{5}{3}x - \frac{5\pi}{9}

答案

y=−19sin⁡3x+4cos⁡12x+53x−5π9y = -\frac{1}{9}\sin 3x + 4\cos \frac{1}{2}x + \frac{5}{3}x - \frac{5\pi}{9}

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