題目
Problem
(10%) If F(x)=f(xf(xf(x))), where f(1)=2, f(2)=3, f′(1)=4, f′(2)=5, and f′(3)=6, find F′(1).
解答
解法一
思路
展開
- 本題給出一個三層嵌套的複合函數 F(x)=f(xf(xf(x))),要求在 x=1 處的導數。
- 我們必須極其仔細地套用連鎖律 (Chain Rule) 與乘積求導法則 (Product Rule)。
- 第一步:定義內部函數簡化記號:
- 令最內層 u(x)=xf(x),則 u′(x)=f(x)+xf′(x)。
- 令中間層 v(x)=xf(u(x)),利用乘積與複合函數求導:
v′(x)=1⋅f(u(x))+x⋅f′(u(x))⋅u′(x)
- 原函數可表示為:
F(x)=f(v(x))
其導數為:
F′(x)=f′(v(x))⋅v′(x)
- 第二步:代入數值計算:
- 題目給定: f(1)=2,f(2)=3,f′(1)=4,f′(2)=5,f′(3)=6。
- 自內向外,依次計算 u(1)、 u′(1)、 v(1)、 v′(1),最後代入求出 F′(1)。
答題過程
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我們定義以下輔助函數以利於求導過程的書寫:
- 令 u(x)=xf(x)。
- 令 v(x)=xf(u(x))=xf(xf(x))。
此時原函數可簡寫為:
F(x)=f(v(x))
第一步:自內而外進行求導
-
對 u(x)=xf(x) 求導(乘積求導法則):
u′(x)=f(x)+xf′(x)
-
對 v(x)=xf(u(x)) 求導(乘積與連鎖律):
v′(x)=f(u(x))+x⋅f′(u(x))⋅u′(x)
-
對 F(x)=f(v(x)) 求導(連鎖律):
F′(x)=f′(v(x))⋅v′(x)
第二步:代入 x=1 的已知數值
已知數據:
- f(1)=2
- f(2)=3
- f′(1)=4
- f′(2)=5
- f′(3)=6
我們依序計算各項在 x=1 的值:
-
計算 u(1) 與 u′(1):
u(1)=1⋅f(1)=2
u′(1)=f(1)+1⋅f′(1)=2+4=6
-
計算 v(1) 與 v′(1):
v(1)=1⋅f(u(1))=f(2)=3
v′(1)===f(u(1))+1⋅f′(u(1))⋅u′(1)f(2)+f′(2)⋅63+5⋅6=3+30=33
-
計算 F′(1):
F′(1)=f′(v(1))⋅v′(1)=f′(3)⋅33=6⋅33=198
結論:
F′(1)=198。