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109 台灣大學微積分(B) 第 2 題

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109學年度 · 109台大微積分B · 第 2 題

題目

Problem

  1. (a) f(x)=[ln⁡(1+x2)]xf(x) = [\ln(1+x^2)]^x. ddxf(x)=(4)‾\displaystyle\frac{d}{dx}f(x) = \underline{\quad(4)\quad}.

(b) x3−y2+y3=xx^3-y^2+y^3=x. At (x,y)=(0,1)(x,y)=(0,1), d2ydx2=(5)‾\displaystyle\frac{d^2y}{dx^2} = \underline{\quad(5)\quad}.

(c) f(x,y,z)=∫zxyet dtf(x,y,z)=\displaystyle\int_z^{xy} e^{\sqrt{t}}\,dt. ∇f=(6)‾\nabla f = \underline{\quad(6)\quad}.

(d) f(x,y)=sin⁡(x2y)x2+y2f(x,y)=\displaystyle\frac{\sin(x^2y)}{x^2+y^2} for (x,y)≠(0,0)(x,y)\ne(0,0) and f(0,0)=0f(0,0)=0. The directional derivative of ff along u=(cos⁡θ,sin⁡θ)\mathbf{u}=(\cos\theta,\sin\theta) at (0,0)(0,0) is (7)‾\underline{\quad(7)\quad}.

解答

解法一

思路

展開
  • (a) 變數同時出現在底數與指數,先取對數再微分。
  • (b) 對隱函數的一階關係再微分一次,最後才代入給定點。
  • (c) 對變上、下限積分使用微積分基本定理與連鎖規則。
  • (d) 函數在原點的形式不宜直接套梯度公式,回到方向導數的定義。

答題過程

展開

(a) 寫成指數函數:

f(x)=exp⁡(xln⁡ln⁡(1+x2)).f(x)=\exp\big(x\ln\ln(1+x^2)\big).

因此

(4)=[ln⁡(1+x2)]x[ln⁡ln⁡(1+x2)+2x2(1+x2)ln⁡(1+x2)].\boxed{(4)=[\ln(1+x^2)]^x\left[\ln\ln(1+x^2)+\frac{2x^2}{(1+x^2)\ln(1+x^2)}\right]}.

(b) 對 x3−y2+y3=xx^3-y^2+y^3=x 微分,

3x2−2ydydx+3y2dydx=1,3x^2-2y\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}+3y^2\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}=1,

故在 (0,1)(0,1) 有 y′=1y'=1。再對上式微分:

6x−2[(y′)2+yy′′]+3[2y(y′)2+y2y′′]=0.6x-2\big[(y')^2+yy''\big]+3\big[2y(y')^2+y^2y''\big]=0.

代入 x=0,y=1,y′=1x=0,y=1,y'=1,得到 −2(1+y′′)+3(2+y′′)=0-2(1+y'')+3(2+y'')=0,所以

(5)=−4.\boxed{(5)=-4}.

(c) 設 H(t)=etH(t)=e^{\sqrt t}。由變上、下限積分的微分法則,

fx= exy y,fy= exy x,fz= −ez.\begin{align*} f_x=&\,e^{\sqrt{xy}}\,y,\\[2mm] f_y=&\,e^{\sqrt{xy}}\,x,\\[2mm] f_z=&\,-e^{\sqrt z}. \end{align*}

因此

(6)=∇f=(yexy, xexy, −ez).\boxed{(6)=\nabla f=\big(ye^{\sqrt{xy}},\,xe^{\sqrt{xy}},\,-e^{\sqrt z}\big)}.

(d) 沿單位方向 u=(cos⁡θ,sin⁡θ)\mathbf u=(\cos\theta,\sin\theta) 代入定義:

Duf(0,0)= lim⁡h→0f(hcos⁡θ,hsin⁡θ)h= lim⁡h→0sin⁡(h3cos⁡2θsin⁡θ)h3= cos⁡2θsin⁡θ.\begin{align*} D_{\mathbf u}f(0,0) =&\,\lim_{h\to0}\frac{f(h\cos\theta,h\sin\theta)}h\\[2mm] =&\,\lim_{h\to0} \frac{\sin(h^3\cos^2\theta\sin\theta)}{h^3}\\[2mm] =&\,\cos^2\theta\sin\theta. \end{align*}

故

(7)=cos⁡2θsin⁡θ.\boxed{(7)=\cos^2\theta\sin\theta}.