Skip to content
CalcGospel 微積分福音
返回

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)=tan1(x2)+1x2sec(t1)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)}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)=tan1((1)2)+1(1)2sec(t1)dt=tan1(1)+11sec(t1)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): ddx1h(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[tan1(x2)]+sec(x21)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(x21)2x=2x1+x4+2xsec(x21)= \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)21)=222sec(0)=12=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)=tan1(x2)+1x2sec(t1)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)g(1)g'(-1)

1. 計算 g(1)g(-1)

x=1x = -1 代入 g(x)g(x)

g(1)=tan1((1)2)+1(1)2sec(t1)dtg(-1) = \tan^{-1}((-1)^2) + \int_1^{(-1)^2} \sec(t-1) \,\mathrm{d}t =tan1(1)+11sec(t1)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 tan1(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[tan1(x2)]+ddx[1x2sec(t1)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(x21)(2x)= \frac{1}{1 + (x^2)^2} \cdot (2x) + \sec(x^2 - 1) \cdot (2x) =2x1+x4+2xsec(x21)= \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)21)g'(-1) = \frac{2(-1)}{1 + (-1)^4} + 2(-1) \sec((-1)^2 - 1) =222sec(0)= \frac{-2}{2} - 2 \sec(0)

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

g(1)=12(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}}