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113 台聯大微積分(A2) 第 5 題

考題 / 轉學考微積分 / 台聯大 / 微積分A2

113學年度 · 113微積分A2 · 第 5 題

題目

Problem

一、填充題:共8題,每題8分、總計64分。請在答案卷上列出題號並依序作答。

(5) Let

f(x)={sin⁡(2x),if x≤0;2x2+ax+b−3,if x>0.f(x) = \begin{cases} \sin(2x), & \text{if } x \le 0; \\ 2x^2 + ax + b - 3, & \text{if } x > 0. \end{cases}

Find aa and bb such that ff is differentiable at 00. Write your answer as (a,b)(a, b).

解答

解法一

思路

展開
  1. 可微性(Differentiability)的必要條件: 函數在 x=0x = 0 處可微,前提是在 x=0x = 0 處必須是連續的。
  2. 第一步:保證函數在 x=0x=0 處連續:
    • 左極限(與函數值): lim⁡x→0−f(x)=f(0)=sin⁡0=0\lim_{x\to 0^-} f(x) = f(0) = \sin 0 = 0。
    • 右極限: lim⁡x→0+f(x)=2(0)2+a(0)+b−3=b−3\lim_{x\to 0^+} f(x) = 2(0)^2 + a(0) + b - 3 = b - 3。
    • 連續要求左極限等於右極限: b−3=0  ⟹  b=3b - 3 = 0 \implies b = 3。
  3. 第二步:保證左右導數相等:
    • 左導數(由 x≤0x \le 0 分支求導): f−′(0)=lim⁡x→0−f(x)−f(0)x−0=lim⁡x→0−sin⁡(2x)x=2f'_-(0) = \lim_{x\to 0^-} \frac{f(x) - f(0)}{x-0} = \lim_{x\to 0^-} \frac{\sin(2x)}{x} = 2
    • 右導數(由 x>0x > 0 分支求導,代入 b=3b=3): f+′(0)=lim⁡x→0+f(x)−f(0)x−0=lim⁡x→0+2x2+axx=lim⁡x→0+(2x+a)=af'_+(0) = \lim_{x\to 0^+} \frac{f(x) - f(0)}{x-0} = \lim_{x\to 0^+} \frac{2x^2 + ax}{x} = \lim_{x\to 0^+} (2x + a) = a
    • 可微要求左右導數相等: a=2a = 2。
  4. 第三步:寫出最終答案 (a,b)(a,b)。

答題過程

展開

函數 f(x)f(x) 在 x=0x = 0 處可微,必須滿足兩個條件:連續性與左右導數相等。

條件一: f(x)f(x) 在 x=0x = 0 處連續

這要求左極限、右極限與該點的函數值相等:

lim⁡x→0−f(x)=lim⁡x→0+f(x)=f(0)\lim_{x \to 0^-} f(x) = \lim_{x \to 0^+} f(x) = f(0)
  • 左極限與函數值為: lim⁡x→0−f(x)=f(0)=sin⁡(2⋅0)=0\lim_{x \to 0^-} f(x) = f(0) = \sin(2 \cdot 0) = 0
  • 右極限為: lim⁡x→0+f(x)=lim⁡x→0+(2x2+ax+b−3)=b−3\lim_{x \to 0^+} f(x) = \lim_{x \to 0^+} \left( 2x^2 + ax + b - 3 \right) = b - 3

為了保證連續,必須有:

b−3=0  ⟹  b=3b - 3 = 0 \implies b = 3

條件二: f(x)f(x) 在 x=0x = 0 處的左右導數存在且相等

我們將 b=3b = 3 代回原函數中,此時當 x>0x > 0 時, f(x)=2x2+axf(x) = 2x^2 + ax。 我們利用導數的定義計算左右導數:

  • 左導數 f−′(0)f'_-(0): f−′(0)=lim⁡x→0−f(x)−f(0)x−0=lim⁡x→0−sin⁡(2x)−0x=lim⁡x→0−sin⁡(2x)x=2f'_-(0) = \lim_{x \to 0^-} \frac{f(x) - f(0)}{x - 0} = \lim_{x \to 0^-} \frac{\sin(2x) - 0}{x} = \lim_{x \to 0^-} \frac{\sin(2x)}{x} = 2
  • 右導數 f+′(0)f'_+(0): f+′(0)=lim⁡x→0+f(x)−f(0)x−0=lim⁡x→0+(2x2+ax)−0x=lim⁡x→0+(2x+a)=af'_+(0) = \lim_{x \to 0^+} \frac{f(x) - f(0)}{x - 0} = \lim_{x \to 0^+} \frac{\left( 2x^2 + ax \right) - 0}{x} = \lim_{x \to 0^+} (2x + a) = a

可微性要求左右導數相等:

f−′(0)=f+′(0)  ⟹  a=2f'_-(0) = f'_+(0) \implies a = 2

因此,滿足條件之常數為 a=2,b=3a = 2, b = 3。

結論: (5) 填入 (2,3)(2, 3)。