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114 台綜大微積分 A 第 1 題

考題 / 轉學考微積分 / 台綜大 / 微積分 A

114學年度 · 114微積分A · 第 1 題

題目

Problem

Given functions f(x)=log⁡2(x2)f(x) = \log_2(x^2) and g(x)=log⁡x(2x)g(x) = \log_x(2^x). Find f′(2)f'(2) and g′(2)g'(2). (10%)

(1) f′(2)=見解答‾f'(2) = \underline{\quad\text{見解答}\quad}, g′(2)=見解答‾g'(2) = \underline{\quad\text{見解答}\quad}.

解答

解法一

思路

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  1. 求 f′(2)f'(2):

    • 函數 f(x)=log⁡2(x2)f(x) = \log_2(x^2) 可以利用對數的性質進行簡化。在 x>0x>0 時: f(x)=2log⁡2∣x∣=2⋅ln⁡xln⁡2f(x) = 2\log_2|x| = 2 \cdot \frac{\ln x}{\ln 2}
    • 對其求導得: f′(x)=2ln⁡2⋅1x=2xln⁡2f'(x) = \frac{2}{\ln 2} \cdot \frac{1}{x} = \frac{2}{x\ln 2}
    • 將 x=2x=2 代入即可求出 f′(2)f'(2)。
  2. 求 g′(2)g'(2):

    • 函數 g(x)=log⁡x(2x)g(x) = \log_x(2^x) 其底數為 xx,指數部分為 2x2^x,這是一個變底數與變指數的對數函數。
    • 我們利用換底公式將底數換為自然底數 ee: g(x)=ln⁡(2x)ln⁡x=xln⁡2ln⁡x=ln⁡2⋅xln⁡xg(x) = \frac{\ln(2^x)}{\ln x} = \frac{x\ln 2}{\ln x} = \ln 2 \cdot \frac{x}{\ln x}
    • 利用商求導法則(Quotient Rule)對其求導: g′(x)=ln⁡2⋅(x)′⋅ln⁡x−x⋅(ln⁡x)′(ln⁡x)2=ln⁡2⋅ln⁡x−1(ln⁡x)2g'(x) = \ln 2 \cdot \frac{(x)' \cdot \ln x - x \cdot (\ln x)'}{(\ln x)^2} = \ln 2 \cdot \frac{\ln x - 1}{(\ln x)^2}
    • 將 x=2x=2 代入即可求出 g′(2)g'(2)。

答題過程

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1. 計算 f′(2)f'(2)

已知函數 f(x)=log⁡2(x2)f(x) = \log_2(x^2)。當 x→2x \to 2 時,我們只考慮 x>0x > 0 的範圍。利用對數律:

f(x)=2log⁡2x=2ln⁡xln⁡2f(x) = 2\log_2 x = \frac{2\ln x}{\ln 2}

對 f(x)f(x) 關於 xx 求導:

f′(x)=2ln⁡2⋅ddx(ln⁡x)=2ln⁡2⋅1x=2xln⁡2f'(x) = \frac{2}{\ln 2} \cdot \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} (\ln x) = \frac{2}{\ln 2} \cdot \frac{1}{x} = \frac{2}{x\ln 2}

將 x=2x = 2 代入導函數:

f′(2)=22ln⁡2=1ln⁡2f'(2) = \frac{2}{2\ln 2} = \frac{1}{\ln 2}

2. 計算 g′(2)g'(2)

已知函數 g(x)=log⁡x(2x)g(x) = \log_x(2^x)。我們利用對數換底公式:

g(x)=ln⁡(2x)ln⁡x=xln⁡2ln⁡x=ln⁡2⋅(xln⁡x)g(x) = \frac{\ln(2^x)}{\ln x} = \frac{x\ln 2}{\ln x} = \ln 2 \cdot \left( \frac{x}{\ln x} \right)

利用商求導法則對其進行微分:

g′(x)= ln⁡2⋅ddx(x)⋅ln⁡x−x⋅ddx(ln⁡x)(ln⁡x)2= ln⁡2⋅1⋅ln⁡x−x⋅1x(ln⁡x)2= ln⁡2⋅ln⁡x−1(ln⁡x)2\begin{align*} g'(x) =&\, \ln 2 \cdot \frac{\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}(x) \cdot \ln x - x \cdot \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}(\ln x)}{(\ln x)^2} \\[4mm] =&\, \ln 2 \cdot \frac{1 \cdot \ln x - x \cdot \frac{1}{x}}{(\ln x)^2} \\[4mm] =&\, \ln 2 \cdot \frac{\ln x - 1}{(\ln x)^2} \end{align*}

將 x=2x = 2 代入導函數:

g′(2)=ln⁡2⋅ln⁡2−1(ln⁡2)2=ln⁡2−1ln⁡2=1−1ln⁡2g'(2) = \ln 2 \cdot \frac{\ln 2 - 1}{(\ln 2)^2} = \frac{\ln 2 - 1}{\ln 2} = 1 - \frac{1}{\ln 2}

結論:

  • f′(2)=1ln⁡2f'(2) = \frac{1}{\ln 2}
  • g′(2)=1−1ln⁡2g'(2) = 1 - \frac{1}{\ln 2}