已知 f(x)f(x) 满足 f′(x)=sin⁡14x−cos⁡4xf'(x) = \sin \frac{1}{4}x - \cos 4x。若 f(2π)=1f(2\pi) = 1,证明 16f′′(x)+f(x)=asin⁡4x+b16f''(x) + f(x) = a \sin 4x + b,其中 aa 和 bb 为常数。

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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⁡14x−cos⁡4x)f''(x) = \frac{d}{dx} \left( \sin \frac{1}{4}x - \cos 4x \right)
f′′(x)=14cos⁡14x−(−4sin⁡4x)f''(x) = \frac{1}{4} \cos \frac{1}{4}x - (-4 \sin 4x)
f′′(x)=14cos⁡14x+4sin⁡4xf''(x) = \frac{1}{4} \cos \frac{1}{4}x + 4 \sin 4x

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

f(x)=∫(sin⁡14x−cos⁡4x)dxf(x) = \int \left( \sin \frac{1}{4}x - \cos 4x \right) dx
f(x)=−cos⁡14x14−sin⁡4x4+Cf(x) = \frac{-\cos \frac{1}{4}x}{\frac{1}{4}} - \frac{\sin 4x}{4} + C
f(x)=−4cos⁡14x−14sin⁡4x+Cf(x) = -4 \cos \frac{1}{4}x - \frac{1}{4} \sin 4x + C

3. Use the given condition $f(2\pi) = 1$ to find the constant of integration $C$.

f(2π)=−4cos⁡(14(2π))−14sin⁡(4(2π))+Cf(2\pi) = -4 \cos \left(\frac{1}{4}(2\pi)\right) - \frac{1}{4} \sin (4(2\pi)) + C
1=−4cos⁡π2−14sin⁡8π+C1 = -4 \cos \frac{\pi}{2} - \frac{1}{4} \sin 8\pi + C
1=−4(0)−14(0)+C1 = -4(0) - \frac{1}{4}(0) + C
C=1C = 1
f(x)=−4cos⁡14x−14sin⁡4x+1f(x) = -4 \cos \frac{1}{4}x - \frac{1}{4} \sin 4x + 1

4. Evaluate $16f''(x) + f(x)$ to show it is in the required form.

16f′′(x)+f(x)=16(14cos⁡14x+4sin⁡4x)+(−4cos⁡14x−14sin⁡4x+1)16f''(x) + f(x) = 16 \left( \frac{1}{4} \cos \frac{1}{4}x + 4 \sin 4x \right) + \left( -4 \cos \frac{1}{4}x - \frac{1}{4} \sin 4x + 1 \right)
=4cos⁡14x+64sin⁡4x−4cos⁡14x−14sin⁡4x+1= 4 \cos \frac{1}{4}x + 64 \sin 4x - 4 \cos \frac{1}{4}x - \frac{1}{4} \sin 4x + 1
=(64−14)sin⁡4x+1= \left( 64 - \frac{1}{4} \right) \sin 4x + 1
=2554sin⁡4x+1= \frac{255}{4} \sin 4x + 1
(This is in the form asin⁡4x+ba \sin 4x + b where a=2554a = \frac{255}{4} and b=1b = 1)

答案

16f′′(x)+f(x)=2554sin⁡4x+116f''(x) + f(x) = \frac{255}{4} \sin 4x + 1

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