Skip to content
CalcGospel 微積分福音
返回

114 台綜大微積分 A 第 3 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 3 題

題目

Problem

Let function g(x)g(x) be the inverse of f(x)=x1+2x2f(x) = x\sqrt{1 + 2x^2}. Find g′(6)g'(6). (10%)

(3) 見解答‾\underline{\quad\text{見解答}\quad}.

解答

解法一

思路

展開
  1. 本題要求尋找 f(x)f(x) 的反函數 g(x)g(x) 在 x=6x=6 處的導數值 g′(6)g'(6)。
  2. 根據反函數求導公式: g′(y0)=1f′(x0),其中 y0=f(x0)g'(y_0) = \frac{1}{f'(x_0)}, \quad \text{其中 } y_0 = f(x_0) 這裡 y0=6y_0 = 6,我們首先要找出對應的 x0x_0,即解方程式 x1+2x2=6x\sqrt{1+2x^2} = 6。
  3. 求解方程式: 因為 6>06 > 0,所以 xx 必須為正數。兩邊平方得: x2(1+2x2)=36  ⟹  2x4+x2−36=0x^2(1 + 2x^2) = 36 \implies 2x^4 + x^2 - 36 = 0 這是一個二次型的四次方程,令 u=x2u = x^2 進行因式分解: (2u+9)(u−4)=0  ⟹  (2x2+9)(x2−4)=0(2u + 9)(u - 4) = 0 \implies (2x^2+9)(x^2-4) = 0 由於 xx 為實數,x2≥0x^2 \ge 0,因此唯一合理的實數解為 x2=4  ⟹  x=2x^2 = 4 \implies x = 2。
  4. 求導並代入: 我們對原函數 f(x)=x(1+2x2)1/2f(x) = x(1+2x^2)^{1/2} 進行微分: f′(x)=1+2x2+x⋅4x21+2x2=1+4x21+2x2f'(x) = \sqrt{1+2x^2} + x \cdot \frac{4x}{2\sqrt{1+2x^2}} = \frac{1+4x^2}{\sqrt{1+2x^2}} 將 x=2x=2 代入求得 f′(2)f'(2),取其倒數即可。

答題過程

展開

第一步:尋找反函數對應點

設 g(6)=xg(6) = x,這等價於:

f(x)=6  ⟹  x1+2x2=6f(x) = 6 \implies x\sqrt{1+2x^2} = 6

由於等號右邊 6>06 > 0,所以 xx 必然大於 00。我們對兩邊進行平方:

x2(1+2x2)=36  ⟹  2x4+x2−36=0x^2 (1 + 2x^2) = 36 \implies 2x^4 + x^2 - 36 = 0

對該二次型多項式進行因式分解:

(2x2+9)(x2−4)=0(2x^2 + 9)(x^2 - 4) = 0

因為對於任意實數 xx, 2x2+9>02x^2+9 > 0 恆成立,所以必須有:

x2−4=0  ⟹  x2=4x^2 - 4 = 0 \implies x^2 = 4

又因為 x>0x > 0,故唯一的實數解為:

x=2x = 2

這說明 f(2)=6  ⟹  g(6)=2f(2) = 6 \implies g(6) = 2。


第二步:求原函數的導函數

對 f(x)=x(1+2x2)1/2f(x) = x(1+2x^2)^{1/2} 使用乘積與連鎖律求導:

f′(x)= 1⋅1+2x2+x⋅12(1+2x2)−12⋅(4x)= 1+2x2+2x21+2x2= (1+2x2)+2x21+2x2=1+4x21+2x2\begin{align*} f'(x) =&\, 1 \cdot \sqrt{1+2x^2} + x \cdot \frac{1}{2}(1+2x^2)^{-\frac{1}{2}} \cdot (4x) \\[4mm] =&\, \sqrt{1+2x^2} + \frac{2x^2}{\sqrt{1+2x^2}} \\[4mm] =&\, \frac{(1+2x^2) + 2x^2}{\sqrt{1+2x^2}} = \frac{1+4x^2}{\sqrt{1+2x^2}} \end{align*}

將 x=2x = 2 代入 f′(x)f'(x):

f′(2)=1+4(4)1+2(4)=1+169=173f'(2) = \frac{1 + 4(4)}{\sqrt{1 + 2(4)}} = \frac{1 + 16}{\sqrt{9}} = \frac{17}{3}

第三步:套用反函數求導公式

根據反函數求導法則:

g′(6)=1f′(g(6))=1f′(2)=117/3=317g'(6) = \frac{1}{f'(g(6))} = \frac{1}{f'(2)} = \frac{1}{17/3} = \frac{3}{17}

結論: g′(6)=317g'(6) = \frac{3}{17}。