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111 學年度台綜大微積分 C 第 2 題

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111學年度 · 111台綜大微積分C · 第 2 題

題目

Problem

2. Define f(x)=∫2xx21+sin⁡(πt) dtx−2f(x) = \frac{\int_{2x}^{x^2} \sqrt{1 + \sin(\pi t)}\,\mathrm{d}t}{x - 2} for x≠2x \neq 2. Give a value of f(2)f(2) such that ff is continuous at 2. (10%)

解答

思路

展開
  1. 欲使 ff 在 x=2x = 2 處連續,必須滿足: f(2)=lim⁡x→2f(x)=lim⁡x→2∫2xx21+sin⁡(πt) dtx−2f(2) = \lim_{x\to 2} f(x) = \lim_{x\to 2} \frac{\int_{2x}^{x^2} \sqrt{1 + \sin(\pi t)}\,\mathrm{d}t}{x - 2}
  2. 此極限在 x→2x \to 2 時為 00\frac{0}{0} 未定式,適用羅必達法則。
  3. 利用萊布尼茲法則(Leibniz Rule)對分子求導: ddx∫2xx21+sin⁡(πt) dt=1+sin⁡(πx2)⋅(2x)−1+sin⁡(2πx)⋅2\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} \int_{2x}^{x^2} \sqrt{1+\sin(\pi t)}\,\mathrm{d}t = \sqrt{1+\sin(\pi x^2)} \cdot (2x) - \sqrt{1+\sin(2\pi x)} \cdot 2
  4. 代入 x=2x=2 求值即為 f(2)f(2)。

答題過程

展開

為使 f(x)f(x) 在 x=2x=2 處連續,需令其定義值等於極限值:

f(2)=lim⁡x→2∫2xx21+sin⁡(πt) dtx−2f(2) = \lim_{x\to 2} \frac{\int_{2x}^{x^2} \sqrt{1 + \sin(\pi t)}\,\mathrm{d}t}{x - 2}

此極限為 00\frac{0}{0} 型,利用羅必達法則,對分子與分母分別求導:

f(2)=lim⁡x→2ddx∫2xx21+sin⁡(πt) dtddx(x−2)f(2) = \lim_{x\to 2} \frac{\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\int_{2x}^{x^2} \sqrt{1 + \sin(\pi t)}\,\mathrm{d}t}{\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}(x - 2)}

利用萊布尼茲法則展開分子:

=lim⁡x→21+sin⁡(πx2)⋅(2x)−1+sin⁡(2πx)⋅21= \lim_{x\to 2} \frac{\sqrt{1 + \sin(\pi x^2)} \cdot (2x) - \sqrt{1 + \sin(2\pi x)} \cdot 2}{1}

代入 x=2x = 2:

f(2)=1+sin⁡(4π)⋅4−1+sin⁡(4π)⋅2f(2) = \sqrt{1 + \sin(4\pi)} \cdot 4 - \sqrt{1 + \sin(4\pi)} \cdot 2

因為 sin⁡(4π)=0\sin(4\pi) = 0:

f(2)=1+0⋅4−1+0⋅2=4−2=2f(2) = \sqrt{1 + 0} \cdot 4 - \sqrt{1 + 0} \cdot 2 = 4 - 2 = 2

結論: 令 f(2)=2f(2) = 2 可使 ff 在 x=2x=2 處連續。