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113 政大微積分(應數大二一) 第 2 題

考題 / 轉學考微積分 / 政大 / 微積分(應數大二一)

113學年度 · 113微積分(應數大二一) · 第 2 題

題目

Problem

(10%) If F(x)=f(xf(xf(x)))F(x) = f(x f(x f(x))), where f(1)=2f(1) = 2, f(2)=3f(2) = 3, f′(1)=4f'(1) = 4, f′(2)=5f'(2) = 5, and f′(3)=6f'(3) = 6, find F′(1)F'(1).

解答

解法一

思路

展開
  1. 本題給出一個三層嵌套的複合函數 F(x)=f(xf(xf(x)))F(x) = f(x f(x f(x))),要求在 x=1x=1 處的導數。
  2. 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)。
  3. 第一步:定義內部函數簡化記號:
    • 令最內層 u(x)=xf(x)u(x) = x f(x),則 u′(x)=f(x)+xf′(x)u'(x) = f(x) + x f'(x)。
    • 令中間層 v(x)=xf(u(x))v(x) = x f(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)v'(x) = 1 \cdot f(u(x)) + x \cdot f'(u(x)) \cdot u'(x)
    • 原函數可表示為: F(x)=f(v(x))F(x) = f(v(x)) 其導數為: F′(x)=f′(v(x))⋅v′(x)F'(x) = f'(v(x)) \cdot v'(x)
  4. 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)=6f(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)、 u′(1)u'(1)、 v(1)v(1)、 v′(1)v'(1),最後代入求出 F′(1)F'(1)。

答題過程

展開

我們定義以下輔助函數以利於求導過程的書寫:

  1. 令 u(x)=xf(x)u(x) = x f(x)。
  2. 令 v(x)=xf(u(x))=xf(xf(x))v(x) = x f(u(x)) = x f(x f(x))。

此時原函數可簡寫為:

F(x)=f(v(x))F(x) = f(v(x))

第一步:自內而外進行求導

  1. 對 u(x)=xf(x)u(x) = x f(x) 求導(乘積求導法則):

    u′(x)=f(x)+xf′(x)u'(x) = f(x) + x f'(x)
  2. 對 v(x)=xf(u(x))v(x) = x f(u(x)) 求導(乘積與連鎖律):

    v′(x)=f(u(x))+x⋅f′(u(x))⋅u′(x)v'(x) = f(u(x)) + x \cdot f'(u(x)) \cdot u'(x)
  3. 對 F(x)=f(v(x))F(x) = f(v(x)) 求導(連鎖律):

    F′(x)=f′(v(x))⋅v′(x)F'(x) = f'(v(x)) \cdot v'(x)

第二步:代入 x=1x = 1 的已知數值

已知數據:

  • f(1)=2f(1) = 2
  • f(2)=3f(2) = 3
  • f′(1)=4f'(1) = 4
  • f′(2)=5f'(2) = 5
  • f′(3)=6f'(3) = 6

我們依序計算各項在 x=1x=1 的值:

  1. 計算 u(1)u(1) 與 u′(1)u'(1):

    u(1)=1⋅f(1)=2u(1) = 1 \cdot f(1) = 2 u′(1)=f(1)+1⋅f′(1)=2+4=6u'(1) = f(1) + 1 \cdot f'(1) = 2 + 4 = 6
  2. 計算 v(1)v(1) 與 v′(1)v'(1):

    v(1)=1⋅f(u(1))=f(2)=3v(1) = 1 \cdot f(u(1)) = f(2) = 3 v′(1)= f(u(1))+1⋅f′(u(1))⋅u′(1)= f(2)+f′(2)⋅6= 3+5⋅6=3+30=33\begin{align*} v'(1) =&\, f(u(1)) + 1 \cdot f'(u(1)) \cdot u'(1) \\[2mm] =&\, f(2) + f'(2) \cdot 6 \\[2mm] =&\, 3 + 5 \cdot 6 = 3 + 30 = 33 \end{align*}
  3. 計算 F′(1)F'(1):

    F′(1)=f′(v(1))⋅v′(1)=f′(3)⋅33=6⋅33=198F'(1) = f'(v(1)) \cdot v'(1) = f'(3) \cdot 33 = 6 \cdot 33 = 198

結論: F′(1)=198F'(1) = 198。