題目
Problem
8. Using the definition of the derivative to show that
dxd[ax]=(lna)⋅ax
where a>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)=ax(其中 a>0),其導函數為:
f′(x)=h→0limhf(x+h)−f(x)=h→0limhax+h−ax
我們將分子中的公因式 ax 提取到極限符號外面(因為 ax 與極限自變數 h 無關):
f′(x)=ax⋅h→0limhah−1— (1)
為了計算極限 h→0limhah−1,我們進行變數代換。
我們令:
t=ah−1
當 h→0 時,顯然有 t→a0−1=0。
我們將 h 用 t 來表達:
ah=t+1⟹ln(ah)=ln(t+1)⟹hlna=ln(t+1)
由於 a>0,當 a=1 時 lna=0:
h=lnaln(t+1)
將上述關係代回極限式:
h→0limhah−1====t→0limlnaln(t+1)tlna⋅t→0limln(t+1)tlna⋅t→0limt1ln(t+1)1lna⋅limt→0ln(t+1)1/t1
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:
t→0limln(t+1)1/t=ln(t→0lim(1+t)1/t)
根據自然對數底數 e 的極限定義,已知 t→0lim(1+t)1/t=e。因此:
ln(t→0lim(1+t)1/t)=lne=1
代回原極限計算式:
h→0limhah−1=lna⋅11=lna
將此結果代回式 (1):
f′(x)=ax⋅lna
故得證。
Note
- 當 a=1 時, ax=1x=1 為常數函數,其導數為 0。此時公式右側為 (ln1)⋅1x=0⋅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 e 的定義,不使用羅必達法則,避免了循環論證的邏輯漏洞。