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112 台聯大微積分(A3/A4/A6) 第 2 題

考題 / 轉學考微積分 / 台聯大 / 微積分A3/A4/A6

112學年度 · 112微積分A3/A4/A6 · 第 2 題

題目

Problem

一、填充題:共 8 題,每題 8 分,共 64 分。

  1. Find f′(−1)f'(-1) if f(x)=eg(x)f(x) = e^{g(x)} and g(x)=tan⁡−1(x2)+∫1x2sec⁡(t−1) dtg(x) = \tan^{-1}(x^2) + \int_1^{x^2} \sec(t-1) \,\mathrm{d}t.

解答

解法一:萊布尼茲基本定理與連鎖律

思路

展開
  1. 本題要求複合函數 f(x)=eg(x)f(x) = e^{g(x)} 在 x=−1x=-1 處的導數。
  2. 根據連鎖律(Chain Rule): f′(x)=eg(x)⋅g′(x)  ⟹  f′(−1)=eg(−1)⋅g′(−1)f'(x) = e^{g(x)} \cdot g'(x) \implies f'(-1) = e^{g(-1)} \cdot g'(-1)
  3. 第一步:計算 g(−1)g(-1): g(−1)=tan⁡−1((−1)2)+∫1(−1)2sec⁡(t−1) dt=tan⁡−1(1)+∫11sec⁡(t−1) dt=π4+0=π4g(-1) = \tan^{-1}((-1)^2) + \int_1^{(-1)^2} \sec(t-1) \,\mathrm{d}t = \tan^{-1}(1) + \int_1^1 \sec(t-1) \,\mathrm{d}t = \frac{\pi}{4} + 0 = \frac{\pi}{4}
  4. 第二步:求 g′(x)g'(x): 根據微積分基本定理(Leibniz’s Rule / FTC): ddx∫1h(x)w(t) dt=w(h(x))⋅h′(x)\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} \int_1^{h(x)} w(t)\,\mathrm{d}t = w(h(x)) \cdot h'(x) 將其應用於 g(x)g(x): g′(x)=ddx[tan⁡−1(x2)]+sec⁡(x2−1)⋅ddx(x2)g'(x) = \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} [\tan^{-1}(x^2)] + \sec(x^2 - 1) \cdot \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}(x^2) =2x1+(x2)2+sec⁡(x2−1)⋅2x=2x1+x4+2xsec⁡(x2−1)= \frac{2x}{1 + (x^2)^2} + \sec(x^2 - 1) \cdot 2x = \frac{2x}{1 + x^4} + 2x \sec(x^2 - 1)
  5. 第三步:計算 g′(−1)g'(-1): g′(−1)=2(−1)1+(−1)4+2(−1)sec⁡((−1)2−1)=−22−2sec⁡(0)=−1−2=−3g'(-1) = \frac{2(-1)}{1 + (-1)^4} + 2(-1) \sec((-1)^2 - 1) = \frac{-2}{2} - 2 \sec(0) = -1 - 2 = -3
  6. 代回 f′(−1)=eπ/4⋅(−3)=−3eπ/4f'(-1) = e^{\pi/4} \cdot (-3) = -3e^{\pi/4}。

答題過程

展開

給定函數為:

f(x)=eg(x)其中g(x)=tan⁡−1(x2)+∫1x2sec⁡(t−1) dtf(x) = e^{g(x)} \quad \text{其中} \quad g(x) = \tan^{-1}(x^2) + \int_1^{x^2} \sec(t - 1) \,\mathrm{d}t

根據微分連鎖律(Chain Rule),對 f(x)f(x) 求導得:

f′(x)=eg(x)⋅g′(x)f'(x) = e^{g(x)} \cdot g'(x)

因此在 x=−1x = -1 處的導數為:

f′(−1)=eg(−1)⋅g′(−1)f'(-1) = e^{g(-1)} \cdot g'(-1)

我們分別計算 g(−1)g(-1) 與 g′(−1)g'(-1):

1. 計算 g(−1)g(-1)

將 x=−1x = -1 代入 g(x)g(x):

g(−1)=tan⁡−1((−1)2)+∫1(−1)2sec⁡(t−1) dtg(-1) = \tan^{-1}((-1)^2) + \int_1^{(-1)^2} \sec(t-1) \,\mathrm{d}t =tan⁡−1(1)+∫11sec⁡(t−1) dt= \tan^{-1}(1) + \int_1^1 \sec(t-1) \,\mathrm{d}t

由於定積分的上下限相同,該積分值為 00:

g(−1)=π4+0=π4g(-1) = \frac{\pi}{4} + 0 = \frac{\pi}{4}

2. 計算 g′(−1)g'(-1)

我們對 g(x)g(x) 關於 xx 求導。 第一項使用 tan⁡−1(u)\tan^{-1}(u) 求導公式,第二項使用微積分基本定理與連鎖律:

g′(x)=ddx[tan⁡−1(x2)]+ddx[∫1x2sec⁡(t−1) dt]g'(x) = \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} [\tan^{-1}(x^2)] + \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} \left[ \int_1^{x^2} \sec(t-1) \,\mathrm{d}t \right] =11+(x2)2⋅(2x)+sec⁡(x2−1)⋅(2x)= \frac{1}{1 + (x^2)^2} \cdot (2x) + \sec(x^2 - 1) \cdot (2x) =2x1+x4+2xsec⁡(x2−1)= \frac{2x}{1 + x^4} + 2x \sec(x^2 - 1)

現在將 x=−1x = -1 代入 g′(x)g'(x):

g′(−1)=2(−1)1+(−1)4+2(−1)sec⁡((−1)2−1)g'(-1) = \frac{2(-1)}{1 + (-1)^4} + 2(-1) \sec((-1)^2 - 1) =−22−2sec⁡(0)= \frac{-2}{2} - 2 \sec(0)

由於 sec⁡(0)=1cos⁡(0)=1\sec(0) = \frac{1}{\cos(0)} = 1:

g′(−1)=−1−2(1)=−3g'(-1) = -1 - 2(1) = -3

3. 計算 f′(−1)f'(-1)

代回連鎖律公式:

f′(−1)=eg(−1)⋅g′(−1)=eπ4⋅(−3)=−3eπ4f'(-1) = e^{g(-1)} \cdot g'(-1) = e^{\frac{\pi}{4}} \cdot (-3) = -3e^{\frac{\pi}{4}}

結論: 2. 填入 −3eπ4\displaystyle -3e^{\frac{\pi}{4}}。