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113 台綜大微積分(B) 第 7 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 7 題

題目

Problem

7. (1) Given function f(x)=sin⁡(3x)f(x) = \sin(3x). Find the higher derivative f(111)(0)f^{(111)}(0). (5%) (2) Given function g(x)=sin⁡(x3)g(x) = \sin(x^3). Find the higher derivative g(111)(0)g^{(111)}(0). (5%)

解答

解法一

思路

展開

本題求函數在 x=0x = 0 處的第 111 階高階導數值。利用麥克勞林展開式(Taylor 級數在 00 處)的係數關係是最為簡潔且不易出錯的方法。 我們知道 Taylor 級數公式中, xnx^n 項的係數為 an=f(n)(0)n!  ⟹  f(n)(0)=an⋅n!a_n = \frac{f^{(n)}(0)}{n!} \implies f^{(n)}(0) = a_n \cdot n!。

(1) 求解 f(111)(0)f^{(111)}(0) 於 f(x)=sin⁡(3x)f(x) = \sin(3x)

  • 正弦函數展開為: sin⁡u=∑k=0∞(−1)ku2k+1(2k+1)!\sin u = \sum_{k=0}^\infty \frac{(-1)^k u^{2k+1}}{(2k+1)!}。
  • 令 u=3xu = 3x,則 f(x)=∑k=0∞(−1)k32k+1x2k+1(2k+1)!f(x) = \sum_{k=0}^\infty \frac{(-1)^k 3^{2k+1} x^{2k+1}}{(2k+1)!}。
  • 我們尋找 x111x^{111} 項(對應 2k+1=111  ⟹  k=552k+1 = 111 \implies k = 55)。
  • 該項的係數為 a111=(−1)553111111!=−3111111!a_{111} = \frac{(-1)^{55} 3^{111}}{111!} = -\frac{3^{111}}{111!}。
  • 故 f(111)(0)=a111⋅111!=−3111f^{(111)}(0) = a_{111} \cdot 111! = -3^{111}。

(2) 求解 g(111)(0)g^{(111)}(0) 於 g(x)=sin⁡(x3)g(x) = \sin(x^3)

  • 令 u=x3u = x^3,則 g(x)=∑k=0∞(−1)k(x3)2k+1(2k+1)!=∑k=0∞(−1)kx6k+3(2k+1)!g(x) = \sum_{k=0}^\infty \frac{(-1)^k (x^3)^{2k+1}}{(2k+1)!} = \sum_{k=0}^\infty \frac{(-1)^k x^{6k+3}}{(2k+1)!}。
  • 我們尋找 x111x^{111} 項(對應 6k+3=111  ⟹  6k=108  ⟹  k=186k+3 = 111 \implies 6k = 108 \implies k = 18)。
  • 該項的係數為 a111=(−1)18(2(18)+1)!=137!a_{111} = \frac{(-1)^{18}}{(2(18)+1)!} = \frac{1}{37!}。
  • 故 g(111)(0)=a111⋅111!=111!37!g^{(111)}(0) = a_{111} \cdot 111! = \frac{111!}{37!}。

答題過程

展開

我們利用麥克勞林級數展開式中, xnx^n 前的係數與高階導數的關係:

f(x)=∑n=0∞anxn其中 an=f(n)(0)n!  ⟹  f(n)(0)=n!⋅anf(x) = \sum_{n=0}^\infty a_n x^n \quad \text{其中 } a_n = \frac{f^{(n)}(0)}{n!} \implies f^{(n)}(0) = n! \cdot a_n

我們已知正弦函數的經典展開式為:

sin⁡u=∑k=0∞(−1)ku2k+1(2k+1)!\sin u = \sum_{k=0}^\infty \frac{(-1)^k u^{2k+1}}{(2k+1)!}

(1) 求解 f(111)(0)f^{(111)}(0) 於 f(x)=sin⁡(3x)f(x) = \sin(3x)

令 u=3xu = 3x 代入展開式中:

f(x)=sin⁡(3x)=∑k=0∞(−1)k(3x)2k+1(2k+1)!=∑k=0∞(−1)k32k+1(2k+1)!x2k+1f(x) = \sin(3x) = \sum_{k=0}^\infty \frac{(-1)^k (3x)^{2k+1}}{(2k+1)!} = \sum_{k=0}^\infty \frac{(-1)^k 3^{2k+1}}{(2k+1)!} x^{2k+1}

為了得到第 111 階導數,我們尋找 x111x^{111} 項,即令:

2k+1=111  ⟹  2k=110  ⟹  k=552k + 1 = 111 \implies 2k = 110 \implies k = 55

此時該項的係數 a111a_{111} 為:

a111=(−1)553111(2⋅55+1)!=−3111111!a_{111} = \frac{(-1)^{55} 3^{111}}{(2 \cdot 55 + 1)!} = -\frac{3^{111}}{111!}

利用導數與係數的關係:

f(111)(0)=111!⋅a111=111!⋅(−3111111!)=−3111f^{(111)}(0) = 111! \cdot a_{111} = 111! \cdot \left( -\frac{3^{111}}{111!} \right) = -3^{111}

(2) 求解 g(111)(0)g^{(111)}(0) 於 g(x)=sin⁡(x3)g(x) = \sin(x^3)

令 u=x3u = x^3 代入展開式中:

g(x)=sin⁡(x3)=∑k=0∞(−1)k(x3)2k+1(2k+1)!=∑k=0∞(−1)k(2k+1)!x6k+3g(x) = \sin\left(x^3\right) = \sum_{k=0}^\infty \frac{(-1)^k \left(x^3\right)^{2k+1}}{(2k+1)!} = \sum_{k=0}^\infty \frac{(-1)^k}{(2k+1)!} x^{6k+3}

我們尋找 x111x^{111} 項,即令:

6k+3=111  ⟹  6k=108  ⟹  k=186k + 3 = 111 \implies 6k = 108 \implies k = 18

此時該項的係數 a111a_{111} 為:

a111=(−1)18(2⋅18+1)!=137!a_{111} = \frac{(-1)^{18}}{(2 \cdot 18 + 1)!} = \frac{1}{37!}

利用導數與係數的關係:

g(111)(0)=111!⋅a111=111!37!g^{(111)}(0) = 111! \cdot a_{111} = \frac{111!}{37!}

結論:

  • (1) f(111)(0)=−3111f^{(111)}(0) = -3^{111}
  • (2) g(111)(0)=111!37!g^{(111)}(0) = \displaystyle \frac{111!}{37!}