解方程 6z(6z−1)=12.6^{z}(6^{z} - 1) = 12. 已知一条曲线的方程为 y=xe3xy = x e^{3x}。 求 dydx\dfrac{dy}{dx}。 求使得 d2ydx2=ke3x(2+3x)\dfrac{d^{2}y}{dx^{2}} = k e^{3x}(2 + 3x) 成立的 kk 的值。

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完整解法

6(a)

1. Use substitution to form a quadratic equation

Let u=6zu = 6^z.
u(u−1)=12u(u - 1) = 12
u2−u−12=0u^2 - u - 12 = 0

2. Solve the quadratic equation

(u−4)(u+3)=0(u - 4)(u + 3) = 0
u=4u = 4 or u=−3u = -3

3. Substitute back and reject invalid solutions

6z=46^z = 4 or 6z=−36^z = -3
Since 6z>06^z > 0 for all real zz, 6z=−36^z = -3 has no solution.

4. Solve for $z$ using logarithms

6z=46^z = 4
ln⁡(6z)=ln⁡4\ln(6^z) = \ln 4
zln⁡6=ln⁡4z \ln 6 = \ln 4
z=ln⁡4ln⁡6≈0.77370z = \frac{\ln 4}{\ln 6} \approx 0.77370
z≈0.774z \approx 0.774 (to 3 s.f.)

答案

z=0.774z = 0.774

6(b)(i)

1. Apply the product rule to differentiate $x e^{3x}$

Let u=xu = x and v=e3xv = e^{3x}.
Then dudx=1\frac{du}{dx} = 1 and dvdx=3e3x\frac{dv}{dx} = 3e^{3x}.
dydx=udvdx+vdudx\frac{dy}{dx} = u\frac{dv}{dx} + v\frac{du}{dx}
dydx=x(3e3x)+e3x(1)\frac{dy}{dx} = x(3e^{3x}) + e^{3x}(1)

2. Factorise the expression to give the final answer

dydx=e3x(3x+1)\frac{dy}{dx} = e^{3x}(3x + 1)

答案

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

6(b)(ii)

1. Recall or calculate the first derivative from part (b)(i)

From part (b)(i), using the product rule on y=xe3xy = x e^{3x}:
dydx=(1)e3x+x(3e3x)=e3x(1+3x)\frac{dy}{dx} = (1)e^{3x} + x(3e^{3x}) = e^{3x}(1 + 3x)

2. Differentiate the first derivative to find the second derivative

Using the product rule again on dydx=e3x(1+3x)\frac{dy}{dx} = e^{3x}(1 + 3x):
Let u=e3xu = e^{3x} and v=1+3xv = 1 + 3x.
Then dudx=3e3x\frac{du}{dx} = 3e^{3x} and dvdx=3\frac{dv}{dx} = 3.
d2ydx2=3e3x(1+3x)+e3x(3)\frac{d^{2}y}{dx^{2}} = 3e^{3x}(1 + 3x) + e^{3x}(3)

3. Factorise the expression and compare to find $k$

d2ydx2=e3x(3+9x+3)\frac{d^{2}y}{dx^{2}} = e^{3x}(3 + 9x + 3)
d2ydx2=e3x(6+9x)\frac{d^{2}y}{dx^{2}} = e^{3x}(6 + 9x)
d2ydx2=3e3x(2+3x)\frac{d^{2}y}{dx^{2}} = 3e^{3x}(2 + 3x)
Comparing this with d2ydx2=ke3x(2+3x)\frac{d^{2}y}{dx^{2}} = k e^{3x}(2 + 3x), we have:
k=3k = 3

答案

k=3k = 3

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