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112 台聯大微積分(A2) 第 6 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 6 題

題目

Problem

一、填充題:共 8 題,每題 8 分,共 64 分。

  1. Let y=(sin⁡x)xy = (\sin x)^x, sin⁡x>0\sin x > 0. Find dydx\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}.

解答

解法一:對數微分法 (Logarithmic Differentiation)

思路

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  1. 本題要求函數 y=(sin⁡x)xy = (\sin x)^x 的一階導數。
  2. 該函數屬於底數與指數皆含有自變數 xx 的冪指函數類型,最適合使用對數微分法。
  3. 第一步:兩邊取自然對數: ln⁡y=ln⁡[(sin⁡x)x]=xln⁡(sin⁡x)\ln y = \ln [(\sin x)^x] = x \ln(\sin x)
  4. 第二步:兩邊對 xx 求導:
    • 左側求導: ddx(ln⁡y)=y′y\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}(\ln y) = \frac{y'}{y}。
    • 右側使用乘積求導法則: ddx[xln⁡(sin⁡x)]=1⋅ln⁡(sin⁡x)+x⋅cos⁡xsin⁡x=ln⁡(sin⁡x)+xcot⁡x\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}[x \ln(\sin x)] = 1 \cdot \ln(\sin x) + x \cdot \frac{\cos x}{\sin x} = \ln(\sin x) + x \cot x。
  5. 第三步:求出 y′y': y′=y(ln⁡(sin⁡x)+xcot⁡x)=(sin⁡x)x(ln⁡(sin⁡x)+xcot⁡x)y' = y \left( \ln(\sin x) + x \cot x \right) = (\sin x)^x \left( \ln(\sin x) + x \cot x \right)

答題過程

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給定函數為:

y=(sin⁡x)x(sin⁡x>0)y = (\sin x)^x \quad (\sin x > 0)

由於底數和指數都含有 xx,我們對等號兩邊同時取自然對數 ln⁡\ln:

ln⁡y=ln⁡((sin⁡x)x)=xln⁡(sin⁡x)\ln y = \ln\left( (\sin x)^x \right) = x \ln(\sin x)

接著,兩邊同時對 xx 進行隱函數求導:

1ydydx=ddx[xln⁡(sin⁡x)]\frac{1}{y} \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} = \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} \left[ x \ln(\sin x) \right]

右側使用乘積求導法則(Product Rule):

ddx[xln⁡(sin⁡x)]=1⋅ln⁡(sin⁡x)+x⋅(1sin⁡x⋅cos⁡x)\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} \left[ x \ln(\sin x) \right] = 1 \cdot \ln(\sin x) + x \cdot \left( \frac{1}{\sin x} \cdot \cos x \right) =ln⁡(sin⁡x)+xcos⁡xsin⁡x=ln⁡(sin⁡x)+xcot⁡x= \ln(\sin x) + x \frac{\cos x}{\sin x} = \ln(\sin x) + x \cot x

因此:

1ydydx=ln⁡(sin⁡x)+xcot⁡x\frac{1}{y} \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} = \ln(\sin x) + x \cot x

兩邊同乘以 yy:

dydx=y(ln⁡(sin⁡x)+xcot⁡x)\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} = y ( \ln(\sin x) + x \cot x )

將 y=(sin⁡x)xy = (\sin x)^x 代回:

dydx=(sin⁡x)x(ln⁡(sin⁡x)+xcot⁡x)\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} = (\sin x)^x ( \ln(\sin x) + x \cot x )

結論: 6. 填入 (sin⁡x)x(ln⁡(sin⁡x)+xcot⁡x)\displaystyle (\sin x)^x ( \ln(\sin x) + x \cot x )。