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114 政大微積分 Part A 第 2 題

考題 / 轉學考微積分 / 政大 / 微積分

114學年度 · 114微積分 · 第 2 題

題目

Problem

Prove that for all 0<x<π60 < x < \frac{\pi}{6},

sin⁡(x)x>3π.\frac{\sin(x)}{x} > \frac{3}{\pi}.

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

解答

解法一

思路

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  1. 本題要求證明在開區間 x∈(0,π/6)x \in (0, \pi/6) 內,不等式 sin⁡xx>3π\frac{\sin x}{x} > \frac{3}{\pi} 恆成立。
  2. 觀察不等式左邊,我們令輔助函數為 g(x)=sin⁡xxg(x) = \frac{\sin x}{x}(這也是著名的辛格函數 sinc function 的一半)。
  3. 如果我們能證明 g(x)g(x) 在區間 (0,π/6](0, \pi/6] 上是嚴格遞減的,那麼對於區間內的任意 xx,其函數值都必須大於右端點處的函數值,即: g(x)>g(π6)對於所有 0<x<π6g(x) > g\left(\frac{\pi}{6}\right) \quad \text{對於所有 } 0 < x < \frac{\pi}{6}
  4. 如何證明 g(x)g(x) 遞減: 我們對 g(x)g(x) 求導: g′(x)=xcos⁡x−sin⁡xx2=cos⁡x(x−tan⁡x)x2g'(x) = \frac{x\cos x - \sin x}{x^2} = \frac{\cos x(x - \tan x)}{x^2} 我們知道在第一象限 (0,π/2)(0, \pi/2) 內,tan⁡x>x\tan x > x 恆成立。這可以通過令 h(x)=tan⁡x−xh(x) = \tan x - x,求導得 h′(x)=sec⁡2x−1=tan⁡2x≥0h'(x) = \sec^2 x - 1 = \tan^2 x \ge 0 來快速證明。 因此,在該區間內 x−tan⁡x<0x - \tan x < 0,再配合 cos⁡x>0\cos x > 0,即可確定 g′(x)<0g'(x) < 0,即函數單調遞減。
  5. 最後計算端點值 g(π/6)=sin⁡(π/6)π/6=3πg(\pi/6) = \frac{\sin(\pi/6)}{\pi/6} = \frac{3}{\pi},即可完成證明。

答題過程

展開

我們定義輔助函數為:

g(x)=sin⁡xx,x∈(0,π6]g(x) = \frac{\sin x}{x}, \quad x \in \left( 0, \frac{\pi}{6} \right]

對 g(x)g(x) 進行微分,利用商求導法則:

g′(x)=(sin⁡x)′⋅x−sin⁡x⋅(x)′x2=xcos⁡x−sin⁡xx2g'(x) = \frac{(\sin x)' \cdot x - \sin x \cdot (x)'}{x^2} = \frac{x\cos x - \sin x}{x^2}

為了判斷分子 xcos⁡x−sin⁡xx\cos x - \sin x 的正負號,我們將其提取 cos⁡x\cos x:

g′(x)=cos⁡x(x−tan⁡x)x2g'(x) = \frac{\cos x (x - \tan x)}{x^2}

1. 證明 tan⁡x>x\tan x > x 在第一象限恆成立 我們令另一個輔助函數為:

h(x)=tan⁡x−x,x∈[0,π2)h(x) = \tan x - x, \quad x \in \left[ 0, \frac{\pi}{2} \right)

對 h(x)h(x) 求導:

h′(x)=sec⁡2x−1=tan⁡2xh'(x) = \sec^2 x - 1 = \tan^2 x

當 x∈(0,π/2)x \in (0, \pi/2) 時,h′(x)=tan⁡2x>0h'(x) = \tan^2 x > 0,說明 h(x)h(x) 在此區間上為嚴格單調遞增。 又因為 h(0)=tan⁡0−0=0h(0) = \tan 0 - 0 = 0,所以在該開區間內:

h(x)>h(0)  ⟹  tan⁡x−x>0  ⟹  tan⁡x>xh(x) > h(0) \implies \tan x - x > 0 \implies \tan x > x

2. 判定 g′(x)g'(x) 的正負號 當 x∈(0,π/6)x \in (0, \pi/6) 時:

  • cos⁡x>0\cos x > 0(因為在此區間內餘弦函數為正值)
  • x−tan⁡x<0x - \tan x < 0(由前述 tan⁡x>x\tan x > x 移項而得)
  • x2>0x^2 > 0

將這些正負號代回 g′(x)g'(x) 中:

g′(x)=\overpluscos⁡x \overminus(x−tan⁡x)\underplusx2<0g'(x) = \frac{\overplus{\cos x} \ \overminus{(x - \tan x)}}{\underplus{x^2}} < 0

因為 g′(x)<0g'(x) < 0 在 x∈(0,π/6)x \in (0, \pi/6) 上恆成立,所以 g(x)=sin⁡xxg(x) = \frac{\sin x}{x} 在該區間上為嚴格單調遞減。


3. 代入端點求得不等式 由於 g(x)g(x) 是嚴格單調遞減的,因此對於任意的 0<x<π60 < x < \frac{\pi}{6},均有:

g(x)>g(π6)g(x) > g\left(\frac{\pi}{6}\right)

我們計算右端點的函數值:

g(π6)=sin⁡(π/6)π/6=1/2π/6=12⋅6π=3πg\left(\frac{\pi}{6}\right) = \frac{\sin(\pi/6)}{\pi/6} = \frac{1/2}{\pi/6} = \frac{1}{2} \cdot \frac{6}{\pi} = \frac{3}{\pi}

代回不等式中:

sin⁡xx>3π\frac{\sin x}{x} > \frac{3}{\pi}

證明完畢。