題目
Problem
2. (a) Let f(x,y)=(x+2)y+2. Then dt2d2f(t,t2)t=0=(4).
(b) Let g(x)=x2+2x+51. Then g(6)(−1)=(5).
解答
(a)
解法一
思路
展開
- 設複合函數 F(t)=f(t,t2)=(t+2)t2+2。
- 將其表示為指數形式 F(t)=e(t2+2)ln(t+2)。
- 對 h(t)=(t2+2)ln(t+2) 進行一階及二階求導,在 t=0 處求值。
- 利用 F′(t)=F(t)h′(t) 和 F′′(t)=F(t)(h′(t))2+F(t)h′′(t) 計算二階導數值。
答題過程
展開
設 F(t)=f(t,t2)=(t+2)t2+2。我們寫成指數形式:
F(t)=e(t2+2)ln(t+2)
令 h(t)=(t2+2)ln(t+2),則 F(t)=eh(t)。
對其求一階與二階導數:
h′(t)=2tln(t+2)+t+2t2+2
h′′(t)=2ln(t+2)+t+22t+(t+2)22t(t+2)−(t2+2)=2ln(t+2)+t+22t+(t+2)2t2+4t−2
在 t=0 處代入:
h(0)=2ln2,h′(0)=0+22=1,h′′(0)=2ln2+0+4−2=2ln2−21
由複合函數求導法則:
F′(t)=eh(t)h′(t)⟹F′′(t)=eh(t)(h′(t))2+eh(t)h′′(t)=F(t)[(h′(t))2+h′′(t)]
將 t=0 代入,注意 F(0)=e2ln2=4:
F′′(0)=F(0)[(h′(0))2+h′′(0)]=4[12+2ln2−21]=4[21+2ln2]=2+8ln2
(b)
解法一
思路
展開
- 要求在 x=−1 處的 6 階導數,最簡潔的方法是將 g(x) 寫成圍繞 x=−1 的泰勒級數(麥克勞林級數的平移形式)。
- 配方: x2+2x+5=(x+1)2+4=4[1+4(x+1)2]。
- 利用廣義二項式展開式 (1+u)−1/2,將其展開至含有 (x+1)6 項。
- 比較係數 a6=6!g(6)(−1),解出 g(6)(−1)。
答題過程
展開
將 g(x) 改寫以 x+1 為基底的形式:
g(x)=(x+1)2+41=21+4(x+1)21=21(1+4(x+1)2)−1/2
利用廣義二項式展開式 (1+u)−1/2:
(1+u)−1/2=1−21u+83u2−165u3+O(u4)
令 u=4(x+1)2,我們只關注含有 (x+1)6 的項(即 u3 項):
g(x)==21[1−21(4(x+1)2)+83(4(x+1)2)2−165(4(x+1)2)3+…]⋯+21(−165⋅64(x+1)6)+⋯=⋯−20485(x+1)6+…
由於泰勒展開式之定義,(x+1)6 的係數為 6!g(6)(−1),故:
6!g(6)(−1)=−20485⟹g(6)(−1)=−20485⋅6!=−20485⋅720=−128225