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113 台綜大微積分(B) 第 3 題

考題 / 轉學考微積分 / 台綜大 / 微積分B

113學年度 · 113微積分B · 第 3 題

題目

Problem

3. (1) Given function f(x)=2x2f(x) = 2^{x^2}. Find the derivative f(2)f'(2). (5%) (2) Given function g(x)=x2xg(x) = x^{2^x}. Find the derivative g(2)g'(2). (5%)

解答

解法一

思路

展開

本題考察指數函數與冪指函數的求導。

(1) 求 f(2)f'(2)f(x)=2x2f(x) = 2^{x^2}

  • 我們可以使用公式 ddxau(x)=au(x)lnau(x)\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} a^{u(x)} = a^{u(x)} \ln a \cdot u'(x),或是先化為 ee 底數形式: f(x)=ex2ln2f(x) = e^{x^2 \ln 2} 求導得: f(x)=ex2ln2(2xln2)=2x22xln2f'(x) = e^{x^2 \ln 2} \cdot (2x \ln 2) = 2^{x^2} \cdot 2x \ln 2
  • 代入 x=2x=2 計算。

(2) 求 g(2)g'(2)g(x)=x2xg(x) = x^{2^x}

  • 由於底數與指數都包含變數 xx,這是一個冪指函數,必須使用對數求導法或將其改寫成自然指數底 ee 形式: g(x)=eln(x2x)=e2xlnxg(x) = e^{\ln\left(x^{2^x}\right)} = e^{2^x \ln x}
  • 使用連鎖律與乘積法則求導: g(x)=e2xlnxddx(2xlnx)=x2x(2xln2lnx+2x1x)g'(x) = e^{2^x \ln x} \cdot \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left( 2^x \ln x \right) = x^{2^x} \left( 2^x\ln 2 \cdot \ln x + 2^x \cdot \frac{1}{x} \right)
  • 代入 x=2x=2 計算。

答題過程

展開

(1) 求解 f(2)f'(2)f(x)=2x2f(x) = 2^{x^2}

我們將函數改寫為以 ee 為底的自然指數形式:

f(x)=eln(2x2)=ex2ln2f(x) = e^{\ln\left(2^{x^2}\right)} = e^{x^2 \ln 2}

使用連鎖律對其求導:

f(x)=ex2ln2ddx(x2ln2)=2x2(2xln2)f'(x) = e^{x^2 \ln 2} \cdot \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}(x^2 \ln 2) = 2^{x^2} \cdot (2x \ln 2)

我們將 x=2x = 2 代入一階導函數:

f(2)=222(22ln2)=24(4ln2)=164ln2=64ln2f'(2) = 2^{2^2} \cdot (2 \cdot 2 \ln 2) = 2^4 \cdot (4 \ln 2) = 16 \cdot 4 \ln 2 = 64 \ln 2

(2) 求解 g(2)g'(2)g(x)=x2xg(x) = x^{2^x}

同樣地,我們將冪指函數改寫為以 ee 為底的自然指數形式:

g(x)=eln(x2x)=e2xlnxg(x) = e^{\ln\left(x^{2^x}\right)} = e^{2^x \ln x}

利用連鎖律與乘積法則求導:

g(x)=e2xlnxddx(2xlnx)g'(x) = e^{2^x \ln x} \cdot \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left( 2^x \ln x \right)

我們單獨計算括號內的導數:

ddx(2xlnx)=(2xln2)lnx+2x(1x)=2x(ln2lnx+1x)\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left( 2^x \ln x \right) = \left( 2^x \ln 2 \right) \ln x + 2^x \left( \frac{1}{x} \right) = 2^x \left( \ln 2 \ln x + \frac{1}{x} \right)

因此導函數為:

g(x)=x2x2x(ln2lnx+1x)g'(x) = x^{2^x} \cdot 2^x \left( \ln 2 \ln x + \frac{1}{x} \right)

現在,我們將 x=2x = 2 代入導函數中:

g(2)=22222(ln2ln2+12)=244((ln2)2+12)=64((ln2)2+12)=64(ln2)2+32\begin{align*} g'(2) =&\, 2^{2^2} \cdot 2^2 \left( \ln 2 \ln 2 + \frac{1}{2} \right) \\[4mm] =&\, 2^4 \cdot 4 \left( (\ln 2)^2 + \frac{1}{2} \right) \\[4mm] =&\, 64 \left( (\ln 2)^2 + \frac{1}{2} \right) \\[4mm] =&\, 64(\ln 2)^2 + 32 \end{align*}

結論:

  • (1) f(2)=64ln2f'(2) = 64\ln 2
  • (2) g(2)=64(ln2)2+32g'(2) = 64(\ln 2)^2 + 32