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114 政大微積分(應數大三) 第 2 題

考題 / 轉學考微積分 / 政大 / 微積分(應數大三)

114學年度 · 114微積分(應數大三) · 第 2 題

題目

Problem

Let sin⁡−1:[−1,1]→[−π2,π2]\sin^{-1} : [-1, 1] \to [-\frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2}] be the inverse function of the sine function sin⁡:[−π2,π2]→[−1,1]\sin : [-\frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2}] \to [-1, 1]. Compute its first order derivative (sin⁡−1)′:(−1,1)→R(\sin^{-1})' : (-1, 1) \to \mathbb{R}. (10%)

(2) 見解答‾\underline{\quad\text{見解答}\quad}.

解答

解法一

思路

展開
  1. 本題要求推導與計算反正弦函數 y=sin⁡−1xy = \sin^{-1} x 的導函數。
  2. 我們利用反函數求導法則(或者使用隱函數求導法,兩者在本質上是完全一樣的)。
  3. 反正弦的定義等價於關係式: sin⁡y=x,其中 y∈(−π2,π2) 且 x∈(−1,1)\sin y = x, \quad \text{其中 } y \in \left( -\frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2} \right) \text{ 且 } x \in (-1, 1)
  4. 對等號兩邊同時關於 xx 求導:  ⁣d ⁣dx(sin⁡y)= ⁣d ⁣dx(x)  ⟹  cos⁡y⋅y′=1  ⟹  y′=1cos⁡y\frac{\mathop{}\!\mathrm{d}}{\mathop{}\!\mathrm{d}x} (\sin y) = \frac{\mathop{}\!\mathrm{d}}{\mathop{}\!\mathrm{d}x} (x) \implies \cos y \cdot y' = 1 \implies y' = \frac{1}{\cos y}
  5. 接著,將 cos⁡y\cos y 用自變數 xx 表達出來。利用三角恆等式 cos⁡2y+sin⁡2y=1\cos^2 y + \sin^2 y = 1: cos⁡y=±1−sin⁡2y=±1−x2\cos y = \pm\sqrt{1 - \sin^2 y} = \pm\sqrt{1 - x^2}
  6. 關鍵的一步是判斷正負號。因為 y∈(−π/2,π/2)y \in (-\pi/2, \pi/2)(對應第一與第四象限),而在這兩個象限內,餘弦函數值必然為正,即 cos⁡y>0\cos y > 0。 因此,取正號 cos⁡y=1−x2\cos y = \sqrt{1 - x^2}。
  7. 代回求導式即可得到反正弦函數的導數公式。

答題過程

展開

我們令反正弦函數關係式為:

y=sin⁡−1xy = \sin^{-1} x

根據反函數的定義,這等價於:

sin⁡y=x,其中 y∈[−π2,π2] 且 x∈[−1,1]\sin y = x, \quad \text{其中 } y \in \left[ -\frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2} \right] \text{ 且 } x \in [-1, 1]

在開區間 x∈(−1,1)x \in (-1, 1) 上,對等式兩邊關於 xx 進行隱函數微分:

 ⁣d ⁣dx(sin⁡y)=  ⁣d ⁣dx(x)cos⁡y⋅ ⁣dy ⁣dx= 1\begin{align*} \frac{\mathop{}\!\mathrm{d}}{\mathop{}\!\mathrm{d}x} (\sin y) =&\, \frac{\mathop{}\!\mathrm{d}}{\mathop{}\!\mathrm{d}x} (x) \\[4mm] \cos y \cdot \frac{\mathop{}\!\mathrm{d}y}{\mathop{}\!\mathrm{d}x} =&\, 1 \end{align*}

當 x∈(−1,1)x \in (-1, 1) 時,對應的角度 y∈(−π2,π2)y \in \left( -\frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2} \right)。 在此區間內,餘弦值恆大於 00(即 cos⁡y>0\cos y > 0),因此我們可以將其除至等號右邊:

 ⁣dy ⁣dx=1cos⁡y— (1)\frac{\mathop{}\!\mathrm{d}y}{\mathop{}\!\mathrm{d}x} = \frac{1}{\cos y} \quad \text{--- (1)}

利用三角平方和恆等式 cos⁡2y+sin⁡2y=1\cos^2 y + \sin^2 y = 1:

cos⁡y=1−sin⁡2y(取正值,因為 cos⁡y>0)\cos y = \sqrt{1 - \sin^2 y} \quad (\text{取正值,因為 } \cos y > 0)

將 sin⁡y=x\sin y = x 代入上式:

cos⁡y=1−x2\cos y = \sqrt{1 - x^2}

將此表達式代回式 (1) 中,得到:

 ⁣dy ⁣dx=11−x2\frac{\mathop{}\!\mathrm{d}y}{\mathop{}\!\mathrm{d}x} = \frac{1}{\sqrt{1 - x^2}}

結論: 反正弦函數的導函數為:

(sin⁡−1)′(x)=11−x2,x∈(−1,1)(\sin^{-1})'(x) = \frac{1}{\sqrt{1 - x^2}}, \quad x \in (-1, 1)