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112 政治大學微積分(應數大二一) 第 8 題

考題 / 轉學考微積分 / 政大 / 微積分(應數大二一)

112學年度 · 112微積分應數大二一 · 第 8 題

題目

Problem

8. Using the definition of the derivative to show that

ddx[ax]=(lna)ax\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} [a^x] = (\ln a) \cdot a^x

where a>0a > 0. (10%)

解答

證明過程

展開

根據導數的極限定義,對於任意函數 f(x)=axf(x) = a^x(其中 a>0a > 0),其導函數為:

f(x)=limh0f(x+h)f(x)h=limh0ax+haxhf'(x) = \lim_{h \to 0} \frac{f(x + h) - f(x)}{h} = \lim_{h \to 0} \frac{a^{x + h} - a^x}{h}

我們將分子中的公因式 axa^x 提取到極限符號外面(因為 axa^x 與極限自變數 hh 無關):

f(x)=axlimh0ah1h— (1)f'(x) = a^x \cdot \lim_{h \to 0} \frac{a^h - 1}{h} \quad \text{--- (1)}

為了計算極限 limh0ah1h\displaystyle \lim_{h \to 0} \frac{a^h - 1}{h},我們進行變數代換。 我們令:

t=ah1t = a^h - 1

h0h \to 0 時,顯然有 ta01=0t \to a^0 - 1 = 0。 我們將 hhtt 來表達:

ah=t+1    ln(ah)=ln(t+1)    hlna=ln(t+1)a^h = t + 1 \implies \ln(a^h) = \ln(t + 1) \implies h \ln a = \ln(t + 1)

由於 a>0a > 0,當 a1a \neq 1lna0\ln a \neq 0

h=ln(t+1)lnah = \frac{\ln(t + 1)}{\ln a}

將上述關係代回極限式:

limh0ah1h=limt0tln(t+1)lna=lnalimt0tln(t+1)=lnalimt011tln(t+1)=lna1limt0ln(t+1)1/t\begin{align*} \lim_{h \to 0} \frac{a^h - 1}{h} =&\, \lim_{t \to 0} \frac{t}{\frac{\ln(t + 1)}{\ln a}} \\[4mm] =&\, \ln a \cdot \lim_{t \to 0} \frac{t}{\ln(t + 1)} \\[4mm] =&\, \ln a \cdot \lim_{t \to 0} \frac{1}{\frac{1}{t} \ln(t + 1)} \\[4mm] =&\, \ln a \cdot \frac{1}{\lim_{t \to 0} \ln(t + 1)^{1/t}} \end{align*}

因為自然對數函數是連續函數,我們可以將極限符號移入對數內部:

limt0ln(t+1)1/t=ln(limt0(1+t)1/t)\lim_{t \to 0} \ln(t + 1)^{1/t} = \ln \left( \lim_{t \to 0} (1 + t)^{1/t} \right)

根據自然對數底數 ee 的極限定義,已知 limt0(1+t)1/t=e\displaystyle \lim_{t \to 0} (1 + t)^{1/t} = e。因此:

ln(limt0(1+t)1/t)=lne=1\ln \left( \lim_{t \to 0} (1 + t)^{1/t} \right) = \ln e = 1

代回原極限計算式:

limh0ah1h=lna11=lna\lim_{h \to 0} \frac{a^h - 1}{h} = \ln a \cdot \frac{1}{1} = \ln a

將此結果代回式 (1):

f(x)=axlnaf'(x) = a^x \cdot \ln a

故得證。

Note

  • a=1a = 1 時, ax=1x=1a^x = 1^x = 1 為常數函數,其導數為 00。此時公式右側為 (ln1)1x=01=0(\ln 1) \cdot 1^x = 0 \cdot 1 = 0,公式依然成立。
  • 本證明完全僅依賴於導數的極限定義與自然常數 ee 的定義,不使用羅必達法則,避免了循環論證的邏輯漏洞。