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107 政大微積分 第 4 題

考題 / 轉學考微積分 / 政大 / 微積分

107學年度 · 107微積分 · 第 4 題

題目

Problem

Let f(x)=sin⁡(x)/xf(x)=\sin(x)/x for x≠0x\ne 0 and g(x)=xcos⁡(x)−sin⁡(x)g(x)=x\cos(x)-\sin(x) for x∈(−∞,∞)x\in(-\infty,\infty).

(a) (5 pts) Is it possible to define f(0)f(0) so that ff is differentiable at 00? Justify your answer.

(b) (5 pts) Suppose that II is an open interval and I⊂(0,∞)I\subset(0,\infty). Show that if g(x)>0g(x)>0 for x∈Ix\in I, then ff is increasing on II.

(c) (5 pts) Show that gg is decreasing on (0,π/2)(0,\pi/2).

(d) (5 pts) Suppose that f(0)f(0) is defined so that ff is continuous at 00. Does ff have a relative maximum at 00? Justify your answer.

解答

解法一

思路

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  • (a) 連續延拓值只能是 11;再由導數定義檢查可微性。
  • (b)、(c) 直接把 f′f'、g′g' 寫出並判斷正負;(d) 用 sin⁡x≤x\sin x\le x 比較附近函數值。

答題過程

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(a) 為了連續,必須定義 f(0)=1f(0)=1。此時

f′(0)=lim⁡x→0sin⁡x/x−1x=lim⁡x→0sin⁡x−xx2=0,f'(0)=\lim_{x\to0}\frac{\sin x/x-1}{x} =\lim_{x\to0}\frac{\sin x-x}{x^2}=0,

最後一個極限可由夾擠定理或 sin⁡x=x+O(x3)\sin x=x+O(x^3) 得到。因此 可以,且 f′(0)=0\boxed{\text{可以,且 }f'(0)=0}。

(b) 對 x>0x>0,

f′(x)=xcos⁡x−sin⁡xx2=g(x)x2.f'(x)=\frac{x\cos x-\sin x}{x^2}=\frac{g(x)}{x^2}.

若 g(x)>0g(x)>0,則 f′(x)>0f'(x)>0;故 f 在 I 上遞增\boxed{f\text{ 在 }I\text{ 上遞增}}。

(c)

g′(x)=cos⁡x−xsin⁡x−cos⁡x=−xsin⁡x<0g'(x)=\cos x-x\sin x-\cos x=-x\sin x<0

對 0<x<π/20<x<\pi/2 成立,故 g 在 (0,π/2) 遞減\boxed{g\text{ 在 }(0,\pi/2)\text{ 遞減}}。

(d) 延拓後 f(0)=1f(0)=1。當 xx 充分接近 00 且 x≠0x\ne0 時,sin⁡x/x<1\sin x/x<1,故

f(x)<f(0).f(x)<f(0).

所以 f 在 0 有嚴格相對最大值\boxed{f\text{ 在 }0\text{ 有嚴格相對最大值}}。