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112 台聯大微積分(A2) 第 9 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 9 題

題目

Problem

二、計算、證明題:共 3 題,每題 12 分,共 36 分。須詳細寫出計算及證明過程,否則不予計分。

  1. Consider the function
f(x)={xsin(1x),x00,x=0.f(x) = \begin{cases} x \sin\left(\frac{1}{x}\right), & x \neq 0 \\ 0, & x = 0 \end{cases} \,.

(a) (4 分) Show that ff is continuous at x=0x = 0.

(b) (4 分) Find f(x)f'(x) for x0x \neq 0.

(c) (4 分) Use the limit definition of the derivative to show that ff is not differentiable at x=0x = 0.

解答

解法一:定義證明法

思路

展開
  1. 本題探討經典函數 f(x)=xsin(1/x)f(x) = x\sin(1/x)x=0x=0 處的連續性與可微性。
  2. (a) 證明在 x=0x=0 連續
    • 需要證明 limx0f(x)=f(0)=0\lim\limits_{x\to 0} f(x) = f(0) = 0
    • 由於 sin(1/x)\sin(1/x) 的值域在 [1,1][-1, 1] 之間,故有不等式 xxsin(1/x)x-|x| \le x\sin(1/x) \le |x|
    • 利用夾擠定理(Squeeze Theorem),當 x0x\to 0 時,兩端極限皆為 0,從而證明 limx0f(x)=0\lim\limits_{x\to 0} f(x) = 0
  3. (b) 求 x0x \neq 0 的導數
    • xsin(1/x)x\sin(1/x) 使用乘積求導與連鎖律: f(x)=1sin(1/x)+xcos(1/x)(1x2)=sin(1/x)1xcos(1/x)f'(x) = 1 \cdot \sin(1/x) + x \cdot \cos(1/x) \cdot \left(-\frac{1}{x^2}\right) = \sin(1/x) - \frac{1}{x}\cos(1/x)
  4. (c) 證明在 x=0x=0 不可微
    • 根據導數定義, f(0)=limx0f(x)f(0)x0f'(0) = \lim\limits_{x\to 0} \frac{f(x)-f(0)}{x-0}
    • 代入函數值,得到極限 limx0xsin(1/x)x=limx0sin(1/x)\lim\limits_{x\to 0} \frac{x\sin(1/x)}{x} = \lim\limits_{x\to 0} \sin(1/x)
    • 由於當 x0x\to 0 時, sin(1/x)\sin(1/x)1-111 之間無限震盪,此極限不存在。
    • 因此, ffx=0x=0 處不可微。

答題過程

展開

(a) 證明 ffx=0x = 0 連續

為了證明 ffx=0x = 0 處連續,我們需要證明:

limx0f(x)=f(0)=0\lim_{x \to 0} f(x) = f(0) = 0

對於任何 x0x \neq 0,因為正弦函數的絕對值恆小於或等於 11

sin(1x)1\left| \sin\left(\frac{1}{x}\right) \right| \le 1

我們在不等式兩邊同乘以 x|x|

xsin(1x)x\left| x\sin\left(\frac{1}{x}\right) \right| \le |x|

這意即:

xxsin(1x)x-|x| \le x\sin\left(\frac{1}{x}\right) \le |x|

由於:

limx0(x)=0limx0x=0\lim_{x \to 0} (-|x|) = 0 \quad \text{且} \quad \lim_{x \to 0} |x| = 0

根據夾擠定理(Squeeze Theorem),可得:

limx0xsin(1x)=0\lim_{x \to 0} x\sin\left(\frac{1}{x}\right) = 0

因為 limx0f(x)=0=f(0)\lim\limits_{x \to 0} f(x) = 0 = f(0),故 ffx=0x = 0 處連續。 \quad\blacksquare


(b) 求 x0x \neq 0 時的 f(x)f'(x)

x0x \neq 0 時,我們可以使用乘積求導法則(Product Rule)與連鎖律(Chain Rule)直接對 f(x)=xsin(1/x)f(x) = x\sin(1/x) 求導:

f(x)=ddx[xsin(1x)]f'(x) = \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} \left[ x\sin\left(\frac{1}{x}\right) \right] =1sin(1x)+x[cos(1x)(1x2)]= 1 \cdot \sin\left(\frac{1}{x}\right) + x \cdot \left[ \cos\left(\frac{1}{x}\right) \cdot \left( -\frac{1}{x^2} \right) \right] =sin(1x)1xcos(1x)= \sin\left(\frac{1}{x}\right) - \frac{1}{x}\cos\left(\frac{1}{x}\right)

(c) 證明 ffx=0x = 0 不可微

根據導數的極限定義, f(0)f'(0) 的定義為:

f(0)=limx0f(x)f(0)x0f'(0) = \lim_{x \to 0} \frac{f(x) - f(0)}{x - 0}

代入 f(0)=0f(0) = 0 以及當 x0x \neq 0 時的 f(x)=xsin(1/x)f(x) = x\sin(1/x)

f(0)=limx0xsin(1x)0x=limx0sin(1x)f'(0) = \lim_{x \to 0} \frac{x\sin\left(\frac{1}{x}\right) - 0}{x} = \lim_{x \to 0} \sin\left(\frac{1}{x}\right)

x0x \to 0 時,角度 1x±\frac{1}{x} \to \pm\infty,使得 sin(1x)\sin\left(\frac{1}{x}\right)[1,1][-1, 1] 區間內無限次快速震盪。例如:

  • xn=12nπ+π/20x_n = \frac{1}{2n\pi + \pi/2} \to 0 時, sin(1/xn)=sin(2nπ+π/2)=1\sin(1/x_n) = \sin(2n\pi + \pi/2) = 1
  • yn=12nππ/20y_n = \frac{1}{2n\pi - \pi/2} \to 0 時, sin(1/yn)=sin(2nππ/2)=1\sin(1/y_n) = \sin(2n\pi - \pi/2) = -1

因為當 x0x \to 0 時函數值無法趨於單一常數,所以極限 limx0sin(1x)\lim\limits_{x \to 0} \sin\left(\frac{1}{x}\right) 不存在。 由此可知, f(x)f(x)x=0x = 0 處不可微分。 \quad\blacksquare