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111 學年度台聯大微積分 A2 第 1 題

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111學年度 · 111台聯大微積分A2 · 第 1 題

題目

Problem

  1. Find the slope of the tangent line to the graph of f(x)=xln⁡xf(x) = x^{\ln x} at the point (e,e)(e, e).

解答

解法一:對數微分法

思路

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  1. 函數為底數與指數皆含有自變數的冪指函數 y=xln⁡xy = x^{\ln x}。
  2. 兩邊取對數簡化: ln⁡y=ln⁡(xln⁡x)=(ln⁡x)2\ln y = \ln(x^{\ln x}) = (\ln x)^2。
  3. 對兩邊關於 xx 求導,使用隱函數微分法(即對數微分法)。
  4. 代入點 (e,e)(e, e) 求解切線斜率 f′(e)f'(e)。

答題過程

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令 y=f(x)=xln⁡xy = f(x) = x^{\ln x}。兩邊取自然對數:

ln⁡y=ln⁡(xln⁡x)=(ln⁡x)2\ln y = \ln\left(x^{\ln x}\right) = (\ln x)^2

對 xx 求導,利用連鎖律與隱微分:

1ydydx=2ln⁡x⋅ddx(ln⁡x)=2ln⁡xx\frac{1}{y} \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} = 2\ln x \cdot \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}(\ln x) = \frac{2\ln x}{x}

解出 dydx\dfrac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}:

dydx=y⋅2ln⁡xx=xln⁡x2ln⁡xx\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} = y \cdot \frac{2\ln x}{x} = x^{\ln x} \frac{2\ln x}{x}

代入點 (e,e)(e, e),即自變數 x=ex = e:

f′(e)=eln⁡e⋅2ln⁡ee=e1⋅2e=2f'(e) = e^{\ln e} \cdot \frac{2\ln e}{e} = e^1 \cdot \frac{2}{e} = 2

因此,在點 (e,e)(e, e) 處的切線斜率為 2\boxed{2}。


解法二:指數底數轉換法

思路

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  1. 將冪指函數 f(x)=xln⁡xf(x) = x^{\ln x} 改寫為以自然常數 ee 為底的指數函數: f(x)=e(ln⁡x)2f(x) = e^{(\ln x)^2}。
  2. 直接利用指數函數的連鎖律求導: ddxeg(x)=eg(x)g′(x)\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} e^{g(x)} = e^{g(x)} g'(x)。
  3. 代入 x=ex=e 即可算出斜率。

答題過程

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將 f(x)f(x) 寫成以 ee 為底的指數形式:

f(x)=xln⁡x=(eln⁡x)ln⁡x=e(ln⁡x)2f(x) = x^{\ln x} = \left(e^{\ln x}\right)^{\ln x} = e^{(\ln x)^2}

對其直接求導:

f′(x)=e(ln⁡x)2⋅ddx[(ln⁡x)2]=e(ln⁡x)2⋅2ln⁡x⋅1xf'(x) = e^{(\ln x)^2} \cdot \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} \left[ (\ln x)^2 \right] = e^{(\ln x)^2} \cdot 2\ln x \cdot \frac{1}{x}

將 x=ex = e 代入導數中:

f′(e)=e(ln⁡e)2⋅2ln⁡e⋅1e=e1⋅2(1)⋅1e=2f'(e) = e^{(\ln e)^2} \cdot 2\ln e \cdot \frac{1}{e} = e^1 \cdot 2(1) \cdot \frac{1}{e} = 2

故在點 (e,e)(e, e) 處的切線斜率為 2\boxed{2}。