題目
Problem
If
f(x)=∫0g(x)1+t31dt,
where
g(x)=∫0cos2x[1+sin(t2)]dt,
find f′(π/4)=(2).
解答
解法一
思路
展開
- 本題給出一個以變數上限積分形式定義的函數 f(x),其積分上限又是另一個變數上限積分函數 g(x)。要求 f′(x) 在 x=π/4 的值。
- 我們需要利用微積分基本定理 (Fundamental Theorem of Calculus, FTC) 與連鎖律 (Chain Rule) 來求導。
- 對於形如 f(x)=∫0g(x)H(t)dt 的函數,求導公式為:
f′(x)=H(g(x))⋅g′(x)
這裡的 H(t)=1+t31。
- 同理,對於 g(x)=∫0cos2xM(t)dt,其求導需要再次結合 FTC 與連鎖律:
g′(x)=M(cos2x)⋅(cos2x)′=M(cos2x)⋅(−2sin2x)
這裡的 M(t)=1+sin(t2)。
- 將 x=π/4 代入,依序求出 g(π/4) 與 g′(π/4),最後代回 f′(π/4) 的一般式中即可。
答題過程
展開
第一步:求出一般導函數
根據微積分基本定理與連鎖律,我們對 f(x) 關於 x 求導:
f′(x)=1+g3(x)1⋅g′(x)— (1)
接著,對內層函數 g(x)=∫0cos2x[1+sin(t2)]dt 關於 x 求導:
g′(x)==[1+sin(cos22x)]⋅dxd(cos2x)[1+sin(cos22x)]⋅(−2sin2x)— (2)
第二步:將 x=4π 代入計算
-
計算 cos2x 與 sin2x:
cos(2⋅4π)=sin(2⋅4π)=cos2π=0sin2π=1
-
計算 g(4π):
將上述 cos2x=0 代回 g(x) 的定義中:
g(4π)=∫00[1+sin(t2)]dt=0
-
計算 g′(4π):
將 cos2x=0 與 sin2x=1 代入式 (2):
g′(4π)===[1+sin(02)]⋅(−2⋅1)(1+0)⋅(−2)−2
-
計算 f′(4π):
將 g(4π)=0 與 g′(4π)=−2 代回式 (1):
f′(4π)====1+g3(π/4)1⋅g′(4π)1+031⋅(−2)1⋅(−2)−2
因此,第 (2) 格答案為 -2。