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113 台綜大微積分(A) 第 2 題

考題 / 轉學考微積分 / 台綜大 / 微積分A

113學年度 · 113微積分A · 第 2 題

題目

Problem

2. Find the derivative f(0)f'(0) for the function

f(x)=tanxsecx11+t4dt.(10%)f(x) = \int_{\tan x}^{\sec x} \frac{1}{\sqrt{1 + t^4}} \,\mathrm{d}t \,. \quad (10\%)

解答

解法一

思路

展開
  1. 給定一個變限積分函數 f(x)=tanxsecx11+t4dtf(x) = \int_{\tan x}^{\sec x} \frac{1}{\sqrt{1+t^4}} \,\mathrm{d}t
  2. 根據微積分基本定理(萊布尼茲法則,Leibniz Rule),若 f(x)=g(x)h(x)w(t)dtf(x) = \int_{g(x)}^{h(x)} w(t) \,\mathrm{d}t,其導函數為: f(x)=w(h(x))h(x)w(g(x))g(x)f'(x) = w(h(x)) \cdot h'(x) - w(g(x)) \cdot g'(x)
  3. 第一步:求出對應的導函數 f(x)f'(x)
    • 此處 w(t)=11+t4w(t) = \frac{1}{\sqrt{1+t^4}}
    • h(x)=secx    h(x)=secxtanxh(x) = \sec x \implies h'(x) = \sec x \tan x
    • g(x)=tanx    g(x)=sec2xg(x) = \tan x \implies g'(x) = \sec^2 x
    • 代入公式: f(x)=11+sec4x(secxtanx)11+tan4x(sec2x)f'(x) = \frac{1}{\sqrt{1 + \sec^4 x}} \cdot (\sec x \tan x) - \frac{1}{\sqrt{1 + \tan^4 x}} \cdot (\sec^2 x)
  4. 第二步:代入 x=0x = 0 求解
    • sec0=1\sec 0 = 1tan0=0\tan 0 = 0

答題過程

展開

根據萊布尼茲積分求導法則,對變限積分函數求導:

f(x)=ddxtanxsecx11+t4dt=11+sec4xddx(secx)11+tan4xddx(tanx)f'(x) = \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} \int_{\tan x}^{\sec x} \frac{1}{\sqrt{1 + t^4}} \,\mathrm{d}t = \frac{1}{\sqrt{1 + \sec^4 x}} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}(\sec x) - \frac{1}{\sqrt{1 + \tan^4 x}} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}(\tan x)

我們知道三角函數求導公式:

ddx(secx)=secxtanx\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}(\sec x) = \sec x \tan x ddx(tanx)=sec2x\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}(\tan x) = \sec^2 x

將其代回得:

f(x)=11+sec4x(secxtanx)11+tan4x(sec2x)f'(x) = \frac{1}{\sqrt{1 + \sec^4 x}} \left( \sec x \tan x \right) - \frac{1}{\sqrt{1 + \tan^4 x}} \left( \sec^2 x \right)

現在,我們求 x=0x = 0 處的導數。代入三角函數基本值:

  • sin0=0    tan0=0\sin 0 = 0 \implies \tan 0 = 0
  • cos0=1    sec0=1\cos 0 = 1 \implies \sec 0 = 1

代入得:

f(0)=11+14(10)11+04(12)=0111=1\begin{align*} f'(0) =&\, \frac{1}{\sqrt{1 + 1^4}} \left( 1 \cdot 0 \right) - \frac{1}{\sqrt{1 + 0^4}} \left( 1^2 \right) \\[4mm] =&\, 0 - \frac{1}{1} \cdot 1 = -1 \end{align*}

結論: f(0)=1f'(0) = -1