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112 台灣大學微積分(C) 第 1 題

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112學年度 · 112台大微積分C · 第 1 題

題目

Problem

  1. Suppose that f(x)f(x) is differentiable at x=1x = 1. Evaluate the following limit in terms of f(1)f(1) and f(1)f'(1).
lima0f(e2a)f(1)log2(13a)=(1).\lim_{a \to 0} \frac{\sqrt{f(e^{2a})} - \sqrt{f(1)}}{\log_2(1 - 3a)} = \underline{\quad (1) \quad} \,.

解答

解法一

思路

展開
  1. 本題給出 f(x)f(x)x=1x=1 處可微,求包含 ff 的極限式。
  2. a0a \to 0 時,分子為 f(1)f(1)=0\sqrt{f(1)} - \sqrt{f(1)} = 0,分母為 log2(1)=0\log_2(1) = 0,此為 00\frac{0}{0} 型未定式。
  3. 第一步:使用羅必達法則對自變數 aa 求導
    • 分子求導: dda(f(e2a))=12f(e2a)f(e2a)2e2a=f(e2a)e2af(e2a)\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}a} \left( \sqrt{f(e^{2a})} \right) = \frac{1}{2\sqrt{f(e^{2a})}} \cdot f'(e^{2a}) \cdot 2e^{2a} = \frac{f'(e^{2a}) e^{2a}}{\sqrt{f(e^{2a})}}
    • 分母求導: dda(log2(13a))=1(13a)ln2(3)=3(13a)ln2\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}a} \left( \log_2(1 - 3a) \right) = \frac{1}{(1-3a)\ln 2} \cdot (-3) = -\frac{3}{(1-3a)\ln 2}
  4. 第二步:取 a0a \to 0 的極限lima0f(e2a)e2af(e2a)3(13a)ln2=f(1)f(1)3ln2=ln2f(1)3f(1)\lim_{a\to 0} \frac{ \frac{f'(e^{2a}) e^{2a}}{\sqrt{f(e^{2a})}} }{ -\frac{3}{(1-3a)\ln 2} } = \frac{ \frac{f'(1)}{\sqrt{f(1)}} }{ -\frac{3}{\ln 2} } = -\frac{\ln 2 \cdot f'(1)}{3\sqrt{f(1)}}

答題過程

展開

此極限在 a0a \to 0 代入時為 00\frac{0}{0} 型。我們使用羅必達法則(L’Hôpital’s Rule),對分子與分母分別關於自變數 aa 進行求導:

lima0f(e2a)f(1)log2(13a)=L.H.lima0dda(f(e2a))dda(log2(13a))\lim_{a \to 0} \frac{\sqrt{f(e^{2a})} - \sqrt{f(1)}}{\log_2(1 - 3a)} \stackrel{\text{L.H.}}{=} \lim_{a \to 0} \frac{\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}a} \left( \sqrt{f(e^{2a})} \right)}{\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}a} \left( \log_2(1 - 3a) \right)}

我們分別計算導函數:

  • 分子部分(使用連鎖律,注意對 e2ae^{2a} 求導得 2e2a2e^{2a}): dda(f(e2a))=12f(e2a)f(e2a)2e2a=f(e2a)e2af(e2a)\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}a} \left( \sqrt{f(e^{2a})} \right) = \frac{1}{2\sqrt{f(e^{2a})}} \cdot f'(e^{2a}) \cdot 2e^{2a} = \frac{f'(e^{2a}) e^{2a}}{\sqrt{f(e^{2a})}}
* **分母部分**(利用對數換底公式 $\log_2 u = \frac{\ln u}{\ln 2}$,注意對 $1-3a$ 求導得 $-3$):

\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}a} \left( \log_2(1 - 3a) \right) = \frac{1}{(1 - 3a) \ln 2} \cdot (-3) = -\frac{3}{(1 - 3a) \ln 2}

將導函數結果代回極限式中: 將導函數結果代回極限式中:

\lim_{a \to 0} \frac{\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}a} \left( \sqrt{f(e^{2a})} \right)}{\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}a} \left( \log_2(1 - 3a) \right)} = \lim_{a \to 0} \frac{\frac{f’(e^{2a}) e^{2a}}{\sqrt{f(e^{2a})}}}{-\frac{3}{(1 - 3a) \ln 2}}

由於 $f(x)$ 在 $x = 1$ 處連續且可微,代入 $a = 0$ 求解極限值:

\frac{\frac{f’(e^0) e^0}{\sqrt{f(e^0)}}}{\frac{-3}{(1 - 0) \ln 2}} = \frac{\frac{f’(1)}{\sqrt{f(1)}}}{-\frac{3}{\ln 2}} = -\frac{\ln 2 \cdot f’(1)}{3\sqrt{f(1)}}

**結論:** (1) 處應填入 $-\displaystyle \frac{\ln 2 \cdot f'(1)}{3\sqrt{f(1)}}$。 </details>