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111 台灣大學微積分(B) 第 3 題

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111學年度 · 111台大微積分B · 第 3 題

題目

Problem

3. Consider a function f:(−π,π)→Rf : (-\pi, \pi) \to \mathbb{R} defined by

f(x)={sin⁡x+axsin⁡xif −π<x<0x2+bx+5if 0≤x<πf(x) = \begin{cases} \sin x + \frac{ax}{\sin x} & \text{if } -\pi < x < 0 \\ x^2 + bx + 5 & \text{if } 0 \le x < \pi \end{cases}

If ff is differentiable on (−π,π)(-\pi, \pi), then (a,b)=(6)‾ .(a, b) = \underline{\quad (6) \quad} \,.

解答

解法一

思路

展開
  1. 若 ff 在 (−π,π)(-\pi, \pi) 上可微,則 ff 在 x=0x=0 處必須連續且可微。
  2. 連續性:左極限必須等於右極限,即 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)。藉此決定 aa。
  3. 可微性:左導數必須等於右導數,即 f−′(0)=f+′(0)f'_-(0) = f'_+(0)。藉此決定 bb。

答題過程

展開

第一步:由連續性求 aa

當 x→0−x \to 0^- 時,左極限為:

lim⁡x→0−f(x)=lim⁡x→0−(sin⁡x+axsin⁡x)=0+a(1)=a\lim_{x\to 0^-} f(x) = \lim_{x\to 0^-} \left( \sin x + a\frac{x}{\sin x} \right) = 0 + a(1) = a

當 x→0+x \to 0^+ 時,右極限及函數值為:

lim⁡x→0+f(x)=f(0)=02+b(0)+5=5\lim_{x\to 0^+} f(x) = f(0) = 0^2 + b(0) + 5 = 5

因為 f(x)f(x) 在 x=0x=0 處連續,故:

a=5a = 5

第二步:由可微性求 bb

利用導數定義求左導數(此時 a=5,f(0)=5a=5, f(0)=5):

f−′(0)=lim⁡x→0−f(x)−f(0)x−0=lim⁡x→0−sin⁡x+5xsin⁡x−5x=lim⁡x→0−(sin⁡xx+5⋅x−sin⁡xxsin⁡x)f'_-(0) = \lim_{x\to 0^-} \frac{f(x) - f(0)}{x-0} = \lim_{x\to 0^-} \frac{\sin x + \frac{5x}{\sin x} - 5}{x} = \lim_{x\to 0^-} \left( \frac{\sin x}{x} + 5 \cdot \frac{x - \sin x}{x\sin x} \right)

我們已知:

lim⁡x→0−sin⁡xx=1\lim_{x\to 0^-} \frac{\sin x}{x} = 1

對於第二項,利用泰勒展開式 sin⁡x=x−x36+O(x5)\sin x = x - \frac{x^3}{6} + O(x^5):

lim⁡x→0−x−sin⁡xxsin⁡x=lim⁡x→0−x36+O(x5)x(x+O(x3))=lim⁡x→0−x36x2=0\lim_{x\to 0^-} \frac{x - \sin x}{x\sin x} = \lim_{x\to 0^-} \frac{\frac{x^3}{6} + O(x^5)}{x(x + O(x^3))} = \lim_{x\to 0^-} \frac{\frac{x^3}{6}}{x^2} = 0

故:

f−′(0)=1+5(0)=1f'_-(0) = 1 + 5(0) = 1

接著求右導數:

f+′(0)=lim⁡x→0+f(x)−f(0)x−0=lim⁡x→0+x2+bx+5−5x=lim⁡x→0+(x+b)=bf'_+(0) = \lim_{x\to 0^+} \frac{f(x) - f(0)}{x-0} = \lim_{x\to 0^+} \frac{x^2+bx+5-5}{x} = \lim_{x\to 0^+} (x+b) = b

因為 f(x)f(x) 在 x=0x=0 處可微,故左導數等於右導數:

b=f−′(0)=1b = f'_-(0) = 1

因此,數對 (a,b)=(5,1)(a, b) = \boxed{(5, 1)}。