Skip to content
CalcGospel 微積分福音
返回

111 台灣大學微積分(B) 第 2 題

考題 / 轉學考微積分 / 台灣大學 / 微積分B

111學年度 · 111台大微積分B · 第 2 題

題目

Problem

2. (a) Let f(x,y)=(x+2)y+2f(x, y) = (x + 2)^{y+2}. Then d2dt2f(t,t2)∣t=0=(4)‾ .\left. \frac{\mathrm{d}^2}{\mathrm{d}t^2} f(t, t^2) \right|_{t=0} = \underline{\quad (4) \quad} \,.

(b) Let g(x)=1x2+2x+5g(x) = \frac{1}{\sqrt{x^2+2x+5}}. Then g(6)(−1)=(5)‾ .g^{(6)}(-1) = \underline{\quad (5) \quad} \,.

解答

(a)

解法一

思路

展開
  1. 設複合函數 F(t)=f(t,t2)=(t+2)t2+2F(t) = f(t, t^2) = (t+2)^{t^2+2}。
  2. 將其表示為指數形式 F(t)=e(t2+2)ln⁡(t+2)F(t) = e^{(t^2+2)\ln(t+2)}。
  3. 對 h(t)=(t2+2)ln⁡(t+2)h(t) = (t^2+2)\ln(t+2) 進行一階及二階求導,在 t=0t=0 處求值。
  4. 利用 F′(t)=F(t)h′(t)F'(t) = F(t)h'(t) 和 F′′(t)=F(t)(h′(t))2+F(t)h′′(t)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+2F(t) = f(t, t^2) = (t+2)^{t^2+2}。我們寫成指數形式:

F(t)=e(t2+2)ln⁡(t+2)F(t) = e^{(t^2+2)\ln(t+2)}

令 h(t)=(t2+2)ln⁡(t+2)h(t) = (t^2+2)\ln(t+2),則 F(t)=eh(t)F(t) = e^{h(t)}。 對其求一階與二階導數:

h′(t)=2tln⁡(t+2)+t2+2t+2h'(t) = 2t\ln(t+2) + \frac{t^2+2}{t+2} h′′(t)=2ln⁡(t+2)+2tt+2+2t(t+2)−(t2+2)(t+2)2=2ln⁡(t+2)+2tt+2+t2+4t−2(t+2)2h''(t) = 2\ln(t+2) + \frac{2t}{t+2} + \frac{2t(t+2) - (t^2+2)}{(t+2)^2} = 2\ln(t+2) + \frac{2t}{t+2} + \frac{t^2+4t-2}{(t+2)^2}

在 t=0t=0 處代入:

h(0)=2ln⁡2,h′(0)=0+22=1,h′′(0)=2ln⁡2+0+−24=2ln⁡2−12h(0) = 2\ln 2, \qquad h'(0) = 0 + \frac{2}{2} = 1, \qquad h''(0) = 2\ln 2 + 0 + \frac{-2}{4} = 2\ln 2 - \frac{1}{2}

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)]F'(t) = e^{h(t)}h'(t) \implies F''(t) = e^{h(t)}(h'(t))^2 + e^{h(t)}h''(t) = F(t) \left[ (h'(t))^2 + h''(t) \right]

將 t=0t=0 代入,注意 F(0)=e2ln⁡2=4F(0) = e^{2\ln 2} = 4:

F′′(0)=F(0)[(h′(0))2+h′′(0)]=4[12+2ln⁡2−12]=4[12+2ln⁡2]=2+8ln⁡2F''(0) = F(0) \left[ (h'(0))^2 + h''(0) \right] = 4 \left[ 1^2 + 2\ln 2 - \frac{1}{2} \right] = 4 \left[ \frac{1}{2} + 2\ln 2 \right] = \boxed{2 + 8\ln 2}

(b)

解法一

思路

展開
  1. 要求在 x=−1x=-1 處的 6 階導數,最簡潔的方法是將 g(x)g(x) 寫成圍繞 x=−1x=-1 的泰勒級數(麥克勞林級數的平移形式)。
  2. 配方: x2+2x+5=(x+1)2+4=4[1+(x+1)24]x^2+2x+5 = (x+1)^2+4 = 4 \left[ 1 + \frac{(x+1)^2}{4} \right]。
  3. 利用廣義二項式展開式 (1+u)−1/2(1+u)^{-1/2},將其展開至含有 (x+1)6(x+1)^6 項。
  4. 比較係數 a6=g(6)(−1)6!a_6 = \frac{g^{(6)}(-1)}{6!},解出 g(6)(−1)g^{(6)}(-1)。

答題過程

展開

將 g(x)g(x) 改寫以 x+1x+1 為基底的形式:

g(x)=1(x+1)2+4=121+(x+1)24=12(1+(x+1)24)−1/2g(x) = \frac{1}{\sqrt{(x+1)^2+4}} = \frac{1}{2\sqrt{1 + \frac{(x+1)^2}{4}}} = \frac{1}{2} \left( 1 + \frac{(x+1)^2}{4} \right)^{-1/2}

利用廣義二項式展開式 (1+u)−1/2(1+u)^{-1/2}:

(1+u)−1/2=1−12u+38u2−516u3+O(u4)(1+u)^{-1/2} = 1 - \frac{1}{2}u + \frac{3}{8}u^2 - \frac{5}{16}u^3 + O(u^4)

令 u=(x+1)24u = \frac{(x+1)^2}{4},我們只關注含有 (x+1)6(x+1)^6 的項(即 u3u^3 項):

g(x)= 12[1−12((x+1)24)+38((x+1)24)2−516((x+1)24)3+… ]= ⋯+12(−516⋅(x+1)664)+⋯=⋯−52048(x+1)6+…\begin{align*} g(x) =&\, \frac{1}{2} \left[ 1 - \frac{1}{2}\left(\frac{(x+1)^2}{4}\right) + \frac{3}{8}\left(\frac{(x+1)^2}{4}\right)^2 - \frac{5}{16}\left(\frac{(x+1)^2}{4}\right)^3 + \dots \right] \\[4mm] =&\, \dots + \frac{1}{2} \left( -\frac{5}{16} \cdot \frac{(x+1)^6}{64} \right) + \dots = \dots - \frac{5}{2048}(x+1)^6 + \dots \end{align*}

由於泰勒展開式之定義,(x+1)6(x+1)^6 的係數為 g(6)(−1)6!\frac{g^{(6)}(-1)}{6!},故:

g(6)(−1)6!=−52048  ⟹  g(6)(−1)=−5⋅6!2048=−5⋅7202048=−225128\frac{g^{(6)}(-1)}{6!} = -\frac{5}{2048} \implies g^{(6)}(-1) = -\frac{5 \cdot 6!}{2048} = -\frac{5 \cdot 720}{2048} = \boxed{-\frac{225}{128}}