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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)=xlnxf(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=xlnxy = x^{\ln x}
  2. 兩邊取對數簡化: lny=ln(xlnx)=(lnx)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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y=f(x)=xlnxy = f(x) = x^{\ln x}。兩邊取自然對數:

lny=ln(xlnx)=(lnx)2\ln y = \ln\left(x^{\ln x}\right) = (\ln x)^2

xx 求導,利用連鎖律與隱微分:

1ydydx=2lnxddx(lnx)=2lnxx\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=y2lnxx=xlnx2lnxx\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)=elne2lnee=e12e=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)=xlnxf(x) = x^{\ln x} 改寫為以自然常數 ee 為底的指數函數: f(x)=e(lnx)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

展開

f(x)f(x) 寫成以 ee 為底的指數形式:

f(x)=xlnx=(elnx)lnx=e(lnx)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(lnx)2ddx[(lnx)2]=e(lnx)22lnx1xf'(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}

x=ex = e 代入導數中:

f(e)=e(lne)22lne1e=e12(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}