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114 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

114學年度 · 114微積分A3/A4/A6 · 第 2 題

題目

Problem

If

f(x)=∫0g(x)11+t3 dt,f(x) = \int_{0}^{g(x)} \frac{1}{\sqrt{1+t^3}} \,\mathrm{d}t,

where

g(x)=∫0cos⁡2x[1+sin⁡(t2)] dt,g(x) = \int_{0}^{\cos 2x} \big[1 + \sin(t^2)\big] \,\mathrm{d}t,

find f′(π/4)=(2)‾f'(\pi/4) = \underline{\quad(2)\quad}.

解答

解法一

思路

展開
  1. 本題給出一個以變數上限積分形式定義的函數 f(x)f(x),其積分上限又是另一個變數上限積分函數 g(x)g(x)。要求 f′(x)f'(x) 在 x=π/4x = \pi/4 的值。
  2. 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。
  3. 對於形如 f(x)=∫0g(x)H(t) dtf(x) = \int_{0}^{g(x)} H(t)\,\mathrm{d}t 的函數,求導公式為: f′(x)=H(g(x))⋅g′(x)f'(x) = H\big(g(x)\big) \cdot g'(x) 這裡的 H(t)=11+t3H(t) = \frac{1}{\sqrt{1+t^3}}。
  4. 同理,對於 g(x)=∫0cos⁡2xM(t) dtg(x) = \int_{0}^{\cos 2x} M(t)\,\mathrm{d}t,其求導需要再次結合 FTC 與連鎖律: g′(x)=M(cos⁡2x)⋅(cos⁡2x)′=M(cos⁡2x)⋅(−2sin⁡2x)g'(x) = M(\cos 2x) \cdot (\cos 2x)' = M(\cos 2x) \cdot (-2\sin 2x) 這裡的 M(t)=1+sin⁡(t2)M(t) = 1 + \sin(t^2)。
  5. 將 x=π/4x = \pi/4 代入,依序求出 g(π/4)g(\pi/4) 與 g′(π/4)g'(\pi/4),最後代回 f′(π/4)f'(\pi/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)f(x) 關於 xx 求導:

f′(x)=11+g3(x)⋅g′(x)— (1)f'(x) = \frac{1}{\sqrt{1 + g^3(x)}} \cdot g'(x) \quad \text{--- (1)}

接著,對內層函數 g(x)=∫0cos⁡2x[1+sin⁡(t2)] dtg(x) = \int_{0}^{\cos 2x} \big[1 + \sin(t^2)\big]\,\mathrm{d}t 關於 xx 求導:

g′(x)= [1+sin⁡(cos⁡22x)]⋅ ⁣d ⁣dx(cos⁡2x)= [1+sin⁡(cos⁡22x)]⋅(−2sin⁡2x)— (2)\begin{align*} g'(x) =&\, \big[1 + \sin(\cos^2 2x)\big] \cdot \frac{\mathop{}\!\mathrm{d}}{\mathop{}\!\mathrm{d}x} (\cos 2x) \\[4mm] =&\, \big[1 + \sin(\cos^2 2x)\big] \cdot (-2\sin 2x) \quad \text{--- (2)} \end{align*}

第二步:將 x=π4x = \frac{\pi}{4} 代入計算

  1. 計算 cos⁡2x\cos 2x 與 sin⁡2x\sin 2x:

    cos⁡(2⋅π4)= cos⁡π2=0sin⁡(2⋅π4)= sin⁡π2=1\begin{align*} \cos\left(2 \cdot \frac{\pi}{4}\right) =&\, \cos\frac{\pi}{2} = 0 \\[4mm] \sin\left(2 \cdot \frac{\pi}{4}\right) =&\, \sin\frac{\pi}{2} = 1 \end{align*}
  2. 計算 g(π4)g(\frac{\pi}{4}): 將上述 cos⁡2x=0\cos 2x = 0 代回 g(x)g(x) 的定義中:

    g(π4)=∫00[1+sin⁡(t2)] dt=0g\left(\frac{\pi}{4}\right) = \int_{0}^{0} \big[1 + \sin(t^2)\big]\,\mathrm{d}t = 0
  3. 計算 g′(π4)g'(\frac{\pi}{4}): 將 cos⁡2x=0\cos 2x = 0 與 sin⁡2x=1\sin 2x = 1 代入式 (2):

    g′(π4)= [1+sin⁡(02)]⋅(−2⋅1)= (1+0)⋅(−2)= −2\begin{align*} g'\left(\frac{\pi}{4}\right) =&\, \big[1 + \sin(0^2)\big] \cdot (-2 \cdot 1) \\[4mm] =&\, (1 + 0) \cdot (-2) \\[4mm] =&\, -2 \end{align*}
  4. 計算 f′(π4)f'(\frac{\pi}{4}): 將 g(π4)=0g(\frac{\pi}{4}) = 0 與 g′(π4)=−2g'(\frac{\pi}{4}) = -2 代回式 (1):

    f′(π4)= 11+g3(π/4)⋅g′(π4)= 11+03⋅(−2)= 1⋅(−2)= −2\begin{align*} f'\left(\frac{\pi}{4}\right) =&\, \frac{1}{\sqrt{1 + g^3(\pi/4)}} \cdot g'\left(\frac{\pi}{4}\right) \\[4mm] =&\, \frac{1}{\sqrt{1 + 0^3}} \cdot (-2) \\[4mm] =&\, 1 \cdot (-2) \\[4mm] =&\, -2 \end{align*}

因此,第 (2) 格答案為 -2。