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112 台聯大微積分(A2) 第 2 題

考題 / 轉學考微積分 / 台聯大 / 微積分A2

112學年度 · 112微積分A2 · 第 2 題

題目

Problem

一、填充題:共 8 題,每題 8 分,共 64 分。

  1. Find d2023dx2023(xsin⁡x)\frac{\mathrm{d}^{2023}}{\mathrm{d}x^{2023}}(x \sin x).

解答

解法一:萊布尼茲乘積求導法則

思路

展開
  1. 本題要求函數 y=xsin⁡xy = x \sin x 的 2023 階導數。
  2. 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(nk)u(n−k)v(k)(uv)^{(n)} = \sum_{k=0}^n \binom{n}{k} u^{(n-k)} v^{(k)}
  3. 令 u(x)=xu(x) = x,v(x)=sin⁡xv(x) = \sin x,階數 n=2023n = 2023:
    • 由於 u(x)=xu(x) = x 的高階導數在二階以上皆為 0(即 u′=1u'=1,u′′=u′′′=⋯=0u''=u'''=\cdots=0),因此在萊布尼茲求導展開式中,只有 k=2023k=2023 與 k=2022k=2022 兩項不為 0。
  4. 第一步:寫出展開式: D2023(xsin⁡x)=(20230)x⋅D2023(sin⁡x)+(20231)1⋅D2022(sin⁡x)D^{2023}(x \sin x) = \binom{2023}{0} x \cdot D^{2023}(\sin x) + \binom{2023}{1} 1 \cdot D^{2022}(\sin x) =x⋅D2023(sin⁡x)+2023⋅D2022(sin⁡x)= x \cdot D^{2023}(\sin x) + 2023 \cdot D^{2022}(\sin x)
  5. 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(sin⁡x)=sin⁡(x+nπ2)D^n(\sin x) = \sin\left(x + \frac{n\pi}{2}\right)
    • 對於 n=2022n = 2022: D2022(sin⁡x)=D2⋅1011(sin⁡x)=(−1)1011sin⁡x=−sin⁡xD^{2022}(\sin x) = D^{2 \cdot 1011}(\sin x) = (-1)^{1011} \sin x = -\sin x
    • 對於 n=2023n = 2023: D2023(sin⁡x)=D2⋅1011+1(sin⁡x)=(−1)1011cos⁡x=−cos⁡xD^{2023}(\sin x) = D^{2 \cdot 1011 + 1}(\sin x) = (-1)^{1011} \cos x = -\cos x
  6. 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)=sin⁡xf(x) = u(x)v(x) \quad \text{其中} \quad u(x) = x, \ v(x) = \sin x

萊布尼茲公式為:

(uv)(n)=∑k=0n(nk)u(k)v(n−k)(uv)^{(n)} = \sum_{k=0}^n \binom{n}{k} u^{(k)} v^{(n-k)}

我們計算 u(x)=xu(x) = x 的各階導數:

u(0)(x)=x,u(1)(x)=1,u(k)(x)=0(對所有 k≥2)u^{(0)}(x) = x, \quad u^{(1)}(x) = 1, \quad u^{(k)}(x) = 0 \quad (\text{對所有 } k \ge 2)

因此,當 n=2023n = 2023 時,級數展開式中僅剩 k=0k=0 和 k=1k=1 兩項不為零:

d2023dx2023(xsin⁡x)=(20230)u(0)(x)v(2023)(x)+(20231)u(1)(x)v(2022)(x)\frac{\mathrm{d}^{2023}}{\mathrm{d}x^{2023}}(x \sin x) = \binom{2023}{0} u^{(0)}(x) v^{(2023)}(x) + \binom{2023}{1} u^{(1)}(x) v^{(2022)}(x) =1⋅x⋅d2023dx2023(sin⁡x)+2023⋅1⋅d2022dx2022(sin⁡x)= 1 \cdot x \cdot \frac{\mathrm{d}^{2023}}{\mathrm{d}x^{2023}}(\sin x) + 2023 \cdot 1 \cdot \frac{\mathrm{d}^{2022}}{\mathrm{d}x^{2022}}(\sin x)

接著,我們計算正弦函數 sin⁡x\sin x 的高階導數規律:

ddx(sin⁡x)=cos⁡x,d2dx2(sin⁡x)=−sin⁡x,d3dx3(sin⁡x)=−cos⁡x,d4dx4(sin⁡x)=sin⁡x\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}(\sin x) = \cos x, \quad \frac{\mathrm{d}^2}{\mathrm{d}x^2}(\sin x) = -\sin x, \quad \frac{\mathrm{d}^3}{\mathrm{d}x^3}(\sin x) = -\cos x, \quad \frac{\mathrm{d}^4}{\mathrm{d}x^4}(\sin x) = \sin x

一般規律為每四階循環一次,或者表示為:

dndxn(sin⁡x)=sin⁡(x+nπ2)\frac{\mathrm{d}^n}{\mathrm{d}x^n}(\sin x) = \sin\left( x + \frac{n\pi}{2} \right)

對於 n=2022n = 2022:

2022=4×505+22022 = 4 \times 505 + 2

所以其導數與二階導數相同:

d2022dx2022(sin⁡x)=−sin⁡x\frac{\mathrm{d}^{2022}}{\mathrm{d}x^{2022}}(\sin x) = -\sin x

對於 n=2023n = 2023:

2023=4×505+32023 = 4 \times 505 + 3

所以其導數與三階導數相同:

d2023dx2023(sin⁡x)=−cos⁡x\frac{\mathrm{d}^{2023}}{\mathrm{d}x^{2023}}(\sin x) = -\cos x

代回原式:

d2023dx2023(xsin⁡x)=x(−cos⁡x)+2023(−sin⁡x)=−xcos⁡x−2023sin⁡x\frac{\mathrm{d}^{2023}}{\mathrm{d}x^{2023}}(x \sin x) = x (-\cos x) + 2023 (-\sin x) = -x \cos x - 2023 \sin x

結論: 2. 填入 −xcos⁡x−2023sin⁡x\displaystyle -x \cos x - 2023 \sin x。