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111 政治大學微積分 第 12 題

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111學年度 · 111微積分 · 第 12 題

題目

Problem

12. (10%) Show your work to get the points.(請提供計算過程說明)

Let f(x)=2x+4x1f(x) = 2^{-x} + 4^{-x} - 1, g(x)=(f(x))1/xg(x) = (f(x))^{-1/x} for x1x \ge -1, x0x \ne 0. Find g(x)g'(x).

解答

解法一

思路

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  1. g(x)=(f(x))1/xg(x) = (f(x))^{-1/x} 是一個形如 [u(x)]v(x)[u(x)]^{v(x)} 的函數(底數和指數都含 xx),不能直接用冪次法則或指數法則,需要先取對數再微分,也就是對數微分法。
  2. 取對數後,lng=lnf(x)x\ln g = -\dfrac{\ln f(x)}{x},這是兩個關於 xx 的函數相除,對 xx 求導時需要用商的微分法(或乘積法則)。
  3. 最後把 f(x)f'(x) 代入整理——f(x)=2x+4x1f(x) = 2^{-x} + 4^{-x} - 1,其導數涉及 axa^x 型函數的微分,別忘了乘上 lna\ln a

答題過程

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第一步:對 g(x)g(x) 取對數。

lng(x)=1xlnf(x)\ln g(x) = -\frac{1}{x}\ln f(x)

第二步:兩邊對 xx 求導。

左邊用鏈鎖律得 g(x)g(x)\dfrac{g'(x)}{g(x)};右邊對 lnf(x)x-\dfrac{\ln f(x)}{x} 用商的微分法:

g(x)g(x)=f(x)f(x)x(1)lnf(x)x2=lnf(x)x2f(x)xf(x)\frac{g'(x)}{g(x)} = \frac{-\frac{f'(x)}{f(x)}\cdot x - (-1)\cdot\ln f(x)}{x^2} = \frac{\ln f(x)}{x^2} - \frac{f'(x)}{x\,f(x)}

第三步:求 f(x)f'(x)

f(x)=2x+4x1f(x) = 2^{-x} + 4^{-x} - 1,逐項對 xx 求導,利用 (ax)=axlna(a^{-x})' = -a^{-x}\ln a

f(x)=2xln24xln4f'(x) = -2^{-x}\ln 2 - 4^{-x}\ln 4

第四步:整理 g(x)g'(x)

g(x)g(x)=\dfrac{g'(x)}{g(x)} = \cdots 兩邊乘以 g(x)=(f(x))1/xg(x) = (f(x))^{-1/x}

g(x)=(f(x))1/x[lnf(x)x2f(x)xf(x)]g'(x) = (f(x))^{-1/x}\left[\frac{\ln f(x)}{x^2} - \frac{f'(x)}{x\,f(x)}\right]

代入 f(x)f(x)f(x)f'(x) 的表達式,得到最終結果:

g(x)=(2x+4x1)1/x[ln(2x+4x1)x2+2xln2+4xln4x(2x+4x1)]\boxed{g'(x) = (2^{-x}+4^{-x}-1)^{-1/x}\left[\frac{\ln(2^{-x}+4^{-x}-1)}{x^2} + \frac{2^{-x}\ln 2 + 4^{-x}\ln 4}{x(2^{-x}+4^{-x}-1)}\right]}