已知 f(x)f(x) 满足 f′(x)=cos⁡4x−sin⁡2xf'(x) = \cos 4x - \sin 2x。又已知 f(π2)=14f\left(\frac{\pi}{2}\right) = \frac{1}{4},证明 f′′(x)+4f(x)=3−3sin⁡4xf''(x) + 4f(x) = 3 - 3\sin 4x。

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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(cos⁡4x−sin⁡2x)f''(x) = \frac{d}{dx}(\cos 4x - \sin 2x)
f′′(x)=−4sin⁡4x−2cos⁡2xf''(x) = -4\sin 4x - 2\cos 2x

2. Find the general form of $f(x)$ by integrating $f'(x)$.

f(x)=∫(cos⁡4x−sin⁡2x) dxf(x) = \int (\cos 4x - \sin 2x) \, dx
f(x)=14sin⁡4x+12cos⁡2x+Cf(x) = \frac{1}{4}\sin 4x + \frac{1}{2}\cos 2x + C

3. Use the given condition $f\left(\frac{\pi}{2}\right) = \frac{1}{4}$ to find the constant of integration $C$.

f(π2)=14sin⁡(4(π2))+12cos⁡(2(π2))+C=14f\left(\frac{\pi}{2}\right) = \frac{1}{4}\sin\left(4\left(\frac{\pi}{2}\right)\right) + \frac{1}{2}\cos\left(2\left(\frac{\pi}{2}\right)\right) + C = \frac{1}{4}
14sin⁡(2π)+12cos⁡(π)+C=14\frac{1}{4}\sin(2\pi) + \frac{1}{2}\cos(\pi) + C = \frac{1}{4}
0+12(−1)+C=140 + \frac{1}{2}(-1) + C = \frac{1}{4}
−12+C=14-\frac{1}{2} + C = \frac{1}{4}
C=34C = \frac{3}{4}
So, f(x)=14sin⁡4x+12cos⁡2x+34f(x) = \frac{1}{4}\sin 4x + \frac{1}{2}\cos 2x + \frac{3}{4}

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

f′′(x)+4f(x)=(−4sin⁡4x−2cos⁡2x)+4(14sin⁡4x+12cos⁡2x+34)f''(x) + 4f(x) = (-4\sin 4x - 2\cos 2x) + 4\left(\frac{1}{4}\sin 4x + \frac{1}{2}\cos 2x + \frac{3}{4}\right)
=−4sin⁡4x−2cos⁡2x+sin⁡4x+2cos⁡2x+3= -4\sin 4x - 2\cos 2x + \sin 4x + 2\cos 2x + 3
=−3sin⁡4x+3= -3\sin 4x + 3
=3−3sin⁡4x(shown)= 3 - 3\sin 4x \quad \text{(shown)}

答案

Shown

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