題目
Problem
一、填充題:共 8 題,每題 8 分,共 64 分。
- Find dx2023d2023(xsinx).
解答
解法一:萊布尼茲乘積求導法則
思路
展開
- 本題要求函數 y=xsinx 的 2023 階導數。
- 對於兩個函數乘積的高階求導,最直接的方法是使用萊布尼茲乘積求導法則(Leibniz Rule):
(uv)(n)=∑k=0n(kn)u(n−k)v(k)
- 令 u(x)=x,v(x)=sinx,階數 n=2023:
- 由於 u(x)=x 的高階導數在二階以上皆為 0(即 u′=1,u′′=u′′′=⋯=0),因此在萊布尼茲求導展開式中,只有 k=2023 與 k=2022 兩項不為 0。
- 第一步:寫出展開式:
D2023(xsinx)=(02023)x⋅D2023(sinx)+(12023)1⋅D2022(sinx)
=x⋅D2023(sinx)+2023⋅D2022(sinx)
- 第二步:求正弦函數的高階導數:
- 我們知道正弦函數的導數規律為:
Dn(sinx)=sin(x+2nπ)
- 對於 n=2022:
D2022(sinx)=D2⋅1011(sinx)=(−1)1011sinx=−sinx
- 對於 n=2023:
D2023(sinx)=D2⋅1011+1(sinx)=(−1)1011cosx=−cosx
- 將結果代回原展開式即可求得答案。
答題過程
展開
我們使用萊布尼茲法則(Leibniz’s Rule)來計算乘積的高階導數。設:
f(x)=u(x)v(x)其中u(x)=x, v(x)=sinx
萊布尼茲公式為:
(uv)(n)=k=0∑n(kn)u(k)v(n−k)
我們計算 u(x)=x 的各階導數:
u(0)(x)=x,u(1)(x)=1,u(k)(x)=0(對所有 k≥2)
因此,當 n=2023 時,級數展開式中僅剩 k=0 和 k=1 兩項不為零:
dx2023d2023(xsinx)=(02023)u(0)(x)v(2023)(x)+(12023)u(1)(x)v(2022)(x)
=1⋅x⋅dx2023d2023(sinx)+2023⋅1⋅dx2022d2022(sinx)
接著,我們計算正弦函數 sinx 的高階導數規律:
dxd(sinx)=cosx,dx2d2(sinx)=−sinx,dx3d3(sinx)=−cosx,dx4d4(sinx)=sinx
一般規律為每四階循環一次,或者表示為:
dxndn(sinx)=sin(x+2nπ)
對於 n=2022:
2022=4×505+2
所以其導數與二階導數相同:
dx2022d2022(sinx)=−sinx
對於 n=2023:
2023=4×505+3
所以其導數與三階導數相同:
dx2023d2023(sinx)=−cosx
代回原式:
dx2023d2023(xsinx)=x(−cosx)+2023(−sinx)=−xcosx−2023sinx
結論:
2. 填入 −xcosx−2023sinx。