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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)=∫tan⁡xsec⁡x11+t4 dt .(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)=∫tan⁡xsec⁡x11+t4 dtf(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)=sec⁡x  ⟹  h′(x)=sec⁡xtan⁡xh(x) = \sec x \implies h'(x) = \sec x \tan x。
    • g(x)=tan⁡x  ⟹  g′(x)=sec⁡2xg(x) = \tan x \implies g'(x) = \sec^2 x。
    • 代入公式: f′(x)=11+sec⁡4x⋅(sec⁡xtan⁡x)−11+tan⁡4x⋅(sec⁡2x)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:
    • sec⁡0=1\sec 0 = 1, tan⁡0=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)=ddx∫tan⁡xsec⁡x11+t4 dt=11+sec⁡4xddx(sec⁡x)−11+tan⁡4xddx(tan⁡x)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(sec⁡x)=sec⁡xtan⁡x\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}(\sec x) = \sec x \tan x ddx(tan⁡x)=sec⁡2x\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}(\tan x) = \sec^2 x

將其代回得:

f′(x)=11+sec⁡4x(sec⁡xtan⁡x)−11+tan⁡4x(sec⁡2x)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:

  • sin⁡0=0  ⟹  tan⁡0=0\sin 0 = 0 \implies \tan 0 = 0
  • cos⁡0=1  ⟹  sec⁡0=1\cos 0 = 1 \implies \sec 0 = 1

代入得:

f′(0)= 11+14(1⋅0)−11+04(12)= 0−11⋅1=−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。