題目
Problem
- Suppose that f(x) is differentiable at x=1. Evaluate the following limit in terms of f(1) and f′(1).
a→0limlog2(1−3a)f(e2a)−f(1)=(1).
解答
解法一
思路
展開
- 本題給出 f(x) 在 x=1 處可微,求包含 f 的極限式。
- 當 a→0 時,分子為 f(1)−f(1)=0,分母為 log2(1)=0,此為 00 型未定式。
- 第一步:使用羅必達法則對自變數 a 求導:
- 分子求導:
dad(f(e2a))=2f(e2a)1⋅f′(e2a)⋅2e2a=f(e2a)f′(e2a)e2a
- 分母求導:
dad(log2(1−3a))=(1−3a)ln21⋅(−3)=−(1−3a)ln23
- 第二步:取 a→0 的極限:
lima→0−(1−3a)ln23f(e2a)f′(e2a)e2a=−ln23f(1)f′(1)=−3f(1)ln2⋅f′(1)
答題過程
展開
此極限在 a→0 代入時為 00 型。我們使用羅必達法則(L’Hôpital’s Rule),對分子與分母分別關於自變數 a 進行求導:
a→0limlog2(1−3a)f(e2a)−f(1)=L.H.a→0limdad(log2(1−3a))dad(f(e2a))
我們分別計算導函數:
- 分子部分(使用連鎖律,注意對 e2a 求導得 2e2a):
dad(f(e2a))=2f(e2a)1⋅f′(e2a)⋅2e2a=f(e2a)f′(e2a)e2a
* **分母部分**(利用對數換底公式 $\log_2 u = \frac{\ln u}{\ln 2}$,注意對 $1-3a$ 求導得 $-3$):
\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}a} \left( \log_2(1 - 3a) \right) = \frac{1}{(1 - 3a) \ln 2} \cdot (-3) = -\frac{3}{(1 - 3a) \ln 2}
將導函數結果代回極限式中:
\lim_{a \to 0} \frac{\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}a} \left( \sqrt{f(e^{2a})} \right)}{\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}a} \left( \log_2(1 - 3a) \right)} = \lim_{a \to 0} \frac{\frac{f’(e^{2a}) e^{2a}}{\sqrt{f(e^{2a})}}}{-\frac{3}{(1 - 3a) \ln 2}}
由於 $f(x)$ 在 $x = 1$ 處連續且可微,代入 $a = 0$ 求解極限值:
\frac{\frac{f’(e^0) e^0}{\sqrt{f(e^0)}}}{\frac{-3}{(1 - 0) \ln 2}} = \frac{\frac{f’(1)}{\sqrt{f(1)}}}{-\frac{3}{\ln 2}} = -\frac{\ln 2 \cdot f’(1)}{3\sqrt{f(1)}}
**結論:**
(1) 處應填入 $-\displaystyle \frac{\ln 2 \cdot f'(1)}{3\sqrt{f(1)}}$。
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