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114 台聯大微積分 A2 第 2 題

考題 / 轉學考微積分 / 台聯大 / 微積分A2

114學年度 · 114微積分A2 · 第 2 題

題目

Problem

Define the function

F(x)=f(ln⁡(2sin⁡x)),0<x<π,F(x) = f\big(\ln(2\sin x)\big), \quad 0 < x < \pi,

where ff is differentiable on (−∞,∞)(-\infty, \infty) and f′(0)=2f'(0) = 2. Find F′(π/6)=(2)‾F'(\pi/6) = \underline{\quad(2)\quad}.

解答

解法一

思路

展開
  1. 本題給出一個複合函數 F(x)=f(g(x))F(x) = f(g(x)),要求其在 x=π/6x = \pi/6 處的導數。
  2. 核心工具是連鎖律 (Chain Rule)。對複合函數求導的公式為 F′(x)=f′(g(x))⋅g′(x)F'(x) = f'\big(g(x)\big) \cdot g'(x)。
  3. 這裡的內層函數為 g(x)=ln⁡(2sin⁡x)g(x) = \ln(2\sin x),其求導需再次使用連鎖律與對數、三角函數的導數公式: g′(x)=12sin⁡x⋅(2cos⁡x)=cos⁡xsin⁡x=cot⁡xg'(x) = \frac{1}{2\sin x} \cdot (2\cos x) = \frac{\cos x}{\sin x} = \cot x
  4. 求出 F′(x)F'(x) 的一般式後,將 x=π/6x = \pi/6 代入,並配合已知條件 f′(0)=2f'(0) = 2 即可求得結果。

答題過程

展開

首先對複合函數 F(x)=f(ln⁡(2sin⁡x))F(x) = f\big(\ln(2\sin x)\big) 利用連鎖律求導:

F′(x)= f′(ln⁡(2sin⁡x))⋅ ⁣d ⁣dx[ln⁡(2sin⁡x)]= f′(ln⁡(2sin⁡x))⋅12sin⁡x⋅(2sin⁡x)′= f′(ln⁡(2sin⁡x))⋅12sin⁡x⋅(2cos⁡x)= f′(ln⁡(2sin⁡x))⋅cos⁡xsin⁡x\begin{align*} F'(x) =&\, f'\big(\ln(2\sin x)\big) \cdot \frac{\mathop{}\!\mathrm{d}}{\mathop{}\!\mathrm{d}x} \big[ \ln(2\sin x) \big] \\[4mm] =&\, f'\big(\ln(2\sin x)\big) \cdot \frac{1}{2\sin x} \cdot (2\sin x)' \\[4mm] =&\, f'\big(\ln(2\sin x)\big) \cdot \frac{1}{2\sin x} \cdot (2\cos x) \\[4mm] =&\, f'\big(\ln(2\sin x)\big) \cdot \frac{\cos x}{\sin x} \end{align*}

接著,我們將 x=π6x = \frac{\pi}{6} 代入上式中:

  1. 計算內層函數在 x=π6x = \frac{\pi}{6} 的值: ln⁡(2sin⁡π6)=ln⁡(2⋅12)=ln⁡(1)=0\ln\Big(2\sin\frac{\pi}{6}\Big) = \ln\Big(2 \cdot \frac{1}{2}\Big) = \ln(1) = 0
  2. 計算三角函數部分在 x=π6x = \frac{\pi}{6} 的值: cos⁡(π/6)sin⁡(π/6)=3/21/2=3\frac{\cos(\pi/6)}{\sin(\pi/6)} = \frac{\sqrt{3}/2}{1/2} = \sqrt{3}

將這些數值與已知條件 f′(0)=2f'(0) = 2 代回 F′(x)F'(x):

F′(π6)= f′(0)⋅3= 2⋅3= 23\begin{align*} F'\left(\frac{\pi}{6}\right) =&\, f'(0) \cdot \sqrt{3} \\[4mm] =&\, 2 \cdot \sqrt{3} \\[4mm] =&\, 2\sqrt{3} \end{align*}

因此,第 (2) 格答案為 2\sqrt{3}。