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),2x2+ax+b−3,if x≤0;if x>0.
Find a and b such that f is differentiable at 0. Write your answer as (a,b).
解答
解法一
思路
展開
- 可微性(Differentiability)的必要條件:
函數在 x=0 處可微,前提是在 x=0 處必須是連續的。
- 第一步:保證函數在 x=0 處連續:
- 左極限(與函數值): limx→0−f(x)=f(0)=sin0=0。
- 右極限: limx→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=3。
- 第二步:保證左右導數相等:
- 左導數(由 x≤0 分支求導):
f−′(0)=limx→0−x−0f(x)−f(0)=limx→0−xsin(2x)=2
- 右導數(由 x>0 分支求導,代入 b=3):
f+′(0)=limx→0+x−0f(x)−f(0)=limx→0+x2x2+ax=limx→0+(2x+a)=a
- 可微要求左右導數相等: a=2。
- 第三步:寫出最終答案 (a,b)。
答題過程
展開
函數 f(x) 在 x=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) 在 x=0 處連續
這要求左極限、右極限與該點的函數值相等:
x→0−limf(x)=x→0+limf(x)=f(0)
- 左極限與函數值為:
x→0−limf(x)=f(0)=sin(2⋅0)=0
- 右極限為:
x→0+limf(x)=x→0+lim(2x2+ax+b−3)=b−3
為了保證連續,必須有:
b−3=0⟹b=3
條件二: f(x) 在 x=0 處的左右導數存在且相等
我們將 b=3 代回原函數中,此時當 x>0 時, f(x)=2x2+ax。
我們利用導數的定義計算左右導數:
- 左導數 f−′(0):
f−′(0)=x→0−limx−0f(x)−f(0)=x→0−limxsin(2x)−0=x→0−limxsin(2x)=2
- 右導數 f+′(0):
f+′(0)=x→0+limx−0f(x)−f(0)=x→0+limx(2x2+ax)−0=x→0+lim(2x+a)=a
可微性要求左右導數相等:
f−′(0)=f+′(0)⟹a=2
因此,滿足條件之常數為 a=2,b=3。
結論:
(5) 填入 (2,3)。