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111 政治大學微積分 第 11 題

考題 / 轉學考微積分 / 政大 / 微積分

111學年度 · 111微積分 · 第 11 題

題目

Problem

第二部份:計算題(共 50 分)

  1. Short questions, you just need to give the final answer in each part.(此大題請直接填寫答案,不需要提供過程說明)

(a) (5%) f ⁣(x2−1x2+1)=xf\!\left(\dfrac{x^2-1}{x^2+1}\right) = x, x>0x > 0. Find f′(0)f'(0).

(b) (5%) f(x)=(ln⁡x)1/xf(x) = (\ln x)^{1/x}, x>0x > 0. Find f′(e)f'(e).

(c) (5%) f(x)=(ln⁡x)1/xf(x) = (\ln x)^{1/x}, x>0x > 0. Find lim⁡x→∞f(x)\displaystyle\lim_{x\to\infty} f(x).

(d) (5%) f(x)=1−cos⁡(x)1+cos⁡(x)f(x) = \dfrac{1-\cos(x)}{1+\cos(x)}. Find f′(x)f'(x).

解答

(a)

解法一

思路

展開

f ⁣(x2−1x2+1)=xf\!\left(\dfrac{x^2-1}{x^2+1}\right) = x 是隱函數形式。對兩邊關於 xx 求導,再找 t=0t = 0 對應的 xx 值,代入即可得 f′(0)f'(0)。

答題過程

展開

令 t=x2−1x2+1t = \dfrac{x^2-1}{x^2+1},則 f(t)=xf(t) = x,兩邊對 xx 求導:

f′(t)⋅dtdx=1f'(t)\cdot\frac{\mathrm{d}t}{\mathrm{d}x} = 1

計算 dtdx\dfrac{\mathrm{d}t}{\mathrm{d}x}(商的微分法):

dtdx=2x(x2+1)−(x2−1)⋅2x(x2+1)2=4x(x2+1)2\frac{\mathrm{d}t}{\mathrm{d}x} = \frac{2x(x^2+1) - (x^2-1)\cdot 2x}{(x^2+1)^2} = \frac{4x}{(x^2+1)^2}

t=0t = 0 時,x2−1x2+1=0⇒x=1\dfrac{x^2-1}{x^2+1} = 0 \Rightarrow x = 1(取 x>0x > 0),代入:

f′(0)⋅4⋅1(1+1)2=1  ⟹  f′(0)=1f'(0)\cdot\frac{4\cdot 1}{(1+1)^2} = 1 \implies \boxed{f'(0) = 1}

(b)

解法一

思路

展開

f(x)=(ln⁡x)1/xf(x) = (\ln x)^{1/x} 是底數和指數都含 xx 的函數,必須先取對數再微分(對數微分法)。取對數後 ln⁡f=ln⁡(ln⁡x)x\ln f = \dfrac{\ln(\ln x)}{x},用商的微分法處理右邊,再乘回 f(x)f(x) 即可。

答題過程

展開

取對數:ln⁡f(x)=ln⁡(ln⁡x)x\ln f(x) = \dfrac{\ln(\ln x)}{x},兩邊對 xx 求導:

f′(x)f(x)=1ln⁡x⋅1x⋅x−ln⁡(ln⁡x)x2=1ln⁡x−ln⁡(ln⁡x)x2\frac{f'(x)}{f(x)} = \frac{\frac{1}{\ln x}\cdot\frac{1}{x}\cdot x - \ln(\ln x)}{x^2} = \frac{\frac{1}{\ln x} - \ln(\ln x)}{x^2}

乘回 f(x)=(ln⁡x)1/xf(x) = (\ln x)^{1/x},代入 x=ex = e(此時 ln⁡e=1\ln e = 1,ln⁡(ln⁡e)=ln⁡1=0\ln(\ln e) = \ln 1 = 0):

f′(e)=(ln⁡e)1/e⋅11−0e2⋅1=1⋅1e2=e−2f'(e) = (\ln e)^{1/e}\cdot\frac{\frac{1}{1} - 0}{e^2\cdot 1} = 1\cdot\frac{1}{e^2} = \boxed{e^{-2}}

(c)

解法一

思路

展開

(ln⁡x)1/x(\ln x)^{1/x} 的指數 1/x→01/x \to 0,但底數 ln⁡x→∞\ln x \to \infty,屬於 ∞0\infty^0 的不定型。取指數形式,將問題化為求 lim⁡x→∞ln⁡(ln⁡x)x\lim_{x\to\infty}\dfrac{\ln(\ln x)}{x},用 L’Hôpital 法則可以確認這個極限為 00。

答題過程

展開 lim⁡x→∞(ln⁡x)1/x=exp⁡ ⁣(lim⁡x→∞ln⁡(ln⁡x)x)\lim_{x\to\infty}(\ln x)^{1/x} = \exp\!\left(\lim_{x\to\infty}\frac{\ln(\ln x)}{x}\right)

用 L’Hôpital 法則:

lim⁡x→∞ln⁡(ln⁡x)x=Llim⁡x→∞1xln⁡x1=0\lim_{x\to\infty}\frac{\ln(\ln x)}{x} \overset{L}{=} \lim_{x\to\infty}\frac{\frac{1}{x\ln x}}{1} = 0

故 lim⁡x→∞f(x)=e0=1\lim_{x\to\infty}f(x) = e^0 = \boxed{1}。


(d)

解法一

思路

展開

f(x)=1−cos⁡x1+cos⁡xf(x) = \dfrac{1-\cos x}{1+\cos x} 是標準的商,直接用商的微分法。分子對 xx 的導數是 sin⁡x\sin x,分母的導數是 −sin⁡x-\sin x,注意符號。

答題過程

展開

用商的微分法:

f′(x)= sin⁡x(1+cos⁡x)−(1−cos⁡x)(−sin⁡x)(1+cos⁡x)2= sin⁡x+sin⁡xcos⁡x+sin⁡x−sin⁡xcos⁡x(1+cos⁡x)2= 2sin⁡x(1+cos⁡x)2\begin{align*} f'(x) =&\, \frac{\sin x(1+\cos x) - (1-\cos x)(-\sin x)}{(1+\cos x)^2} \\[4mm] =&\, \frac{\sin x + \sin x\cos x + \sin x - \sin x\cos x}{(1+\cos x)^2} \\[4mm] =&\, \boxed{\dfrac{2\sin x}{(1+\cos x)^2}} \end{align*}