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2019年6月10日 星期一

國立清華大學八十八年學年度轉學生入學考試(經濟)試題詳解

八十八學年度轉學生入學考試

科目 微積分(經濟系)   3 頁第 1 頁 *請在試卷【答案卷】內作答
科號:123
  1. 填充題(共有九個空格,每一空格八分,請將答案依甲、乙、丙、…次序寫出,不需演算過程)
    1. Let y=3(x+1)3(x2+1)3(x3+1). Then dydx|x=0= 甲 .
    2. 訣竅運用對數微分法計算即可。
      解法先取自然對數可得

      lny=13ln(x+1)+19ln(x2+1)+127ln(x3+1),

      如此微分可得

      yy=13(x+1)+2x9(x2+1)+x29(x3+1).

      代入 x=0 可得

      dydx|x=0=y(0)y(0)=13.


    3. Evaluate the following:
      1. 212x+1x(x+1)2dx= 乙 .
      2. limn1n[21/n+22/n++2n/n]= 丙 .
      3. n=0(11n!)13n= 丁 .
    4. 訣竅第一小題由有理函數的積分法處理即可;第二小題將之視為 Riemann sum,取極限後成為定積分計算之;第三小題可先分配律拆為兩項後運用熟知的無窮級數結果來計算。
      解法
      1. 運用部分分式法可表達被積分函數如下

        2x+1x(x+1)2=Ax+Bx+1+C(x+1)2,

        其中 A,B,C 為待定常數。同乘以 x(x+1)2 可得

        2x+1=A(x+1)2+Bx(x+1)+Cx=(A+B)x2+(2A+B+C)x+A.

        藉由比較係數,容易知道 A=1B=1C=1,因此所求的定積分可透過被積分函數的改寫而計算如下

        212x+1x(x+1)2dx=21(1x1x+1+1(x+1)2)dx=lnxln(x+1)1x+1|21=2ln2ln3+16.

      2. f(x)=2x,容易注意到該 Riemann sum 為 f[0,1] 上考慮 n 等分割所得,故取極限後的結果為如下的定積分

        limn1n[21/n+22/n++2n/n]=102xdx=2xln2|10=1ln2.

      3. 運用分配律並利用熟知的級數結果可知

        n=0(11n!)13n=n=013nn=0(1/3)nn!=1113e1/3=32e1/3.

        第一項使用了無窮等比級數和公式,而第二項則使用了自然指數函數的 Taylor 展開式並取 x=1/3

        ex=n=0xnn!.


    5. The minimum value of (cosx12)2+(sinx12)2 with xR is  戊 .
    6. 訣竅運用微分求極值即可。
      解法f(x)=(cosx12)2+(sinx12)2,則其導函數如下

      f(x)=sinx(cosx12)+cosx(sinx12)(cosx12)2+(sinx12)2.

      解方程 f(x)=0,即解 sinxcosx=0,如此可得 x=π4+kπ,其中 kZ。可直接檢驗得知

      f(π4+2kπ)=122,f(5π4+2kπ)=1+22.

      故最小值為 122

    7. Let L be the tangent line to the curve x3+y3+3xy2=1 at the point (0,1). Then the area of the triangle formed by L and the coordinate axes is  己 .
    8. 訣竅運用隱函數微分求得切線斜率,接著使用點斜式寫出切線方程式,進而求出此線與象限軸的交點,求出三角形面積。
      解法運用隱函數微分可得

      3x2+3y2y+3y2+6xyy=0.

      x=0y=1 可得

      3dydx|(x,y)=(0,1)+3=0.

      因此 dydx|(x,y)=(0,1)=1,因此切線方程式為 y1=(x0),或寫為 x+y=1。容易看出切線方成交 x 軸與 y 軸於 (1,0)(0,1),故形成的三角形面積為 12

    9. The solution of the integral equation

      f(x)=1999+x0f(t)costdt

      is given bt f(x)= 庚 .
    10. 訣竅運用微積分基本定理先化為微分方程並求解之,此外應注意到積分方程本身可提供初始條件。
      解法由微積分基本定理可知

      f(x)=f(x)cosx.

      同乘以 esinx 可得

      [esinxf(x)]=esinxf(x)esinxf(x)cosx=0.

      於是在 [0,x] 上取定積分並注意到 f(0)=1999,從而有

      f(x)=1999esinx.


    11. The length of the parabolic spiral r=θ2 (θ0) that lies inside the circle r=4 is  辛 .
    12. 訣竅運用曲線弧長公式,並且由於要在 r=4 以內,進而得到關於 θ 的限制條件。
      解法由於要在 r=4 以內,於是容易知道 θ 的範圍為 0θ2,故運用曲線弧長公式可知

      L=20r2+(drdθ)2dθ=20θ4+4θ2dθ=20θθ2+4dθ=13(θ2+4)3/2|20=16283.


    13. Suppose the temperature distribution of a ball centered at the origin is

      T(x,y,z)=1001+x2+y2+z2,x2+y2+z220.

      Then the direciton (which is a unit vector) of greatest increase of temperature at the point (1,2,3) is  壬 .
    14. 訣竅運用梯度來求最快的增加方向。
      解法首先計算溫度梯度如下

      T(x,y,z)=100(2x,2y,2z)(1+x2+y2+z2)2.

      因此在 (1,2,3) 的梯度為

      T(1,2,3)=200(1,2,3)225=(89,169,83).

      故增加最快的方向為 (1,2,3)14
  2. 計算與證明題(共有兩大題,每大題 14 分,必須寫出演算證明過程)
    1. (14%) Let Ω={(x,y)|0y1,xy and x2y21}.
      1. Sketch the region Ω.
      2. Evaluate the double integral

        .

    2. 訣竅由於 \Omega 中給定的邊界皆為初等圖形,繪圖後容易將所求的重積分表達為迭代積分並計算之。
      解法
      1. 將所有邊界直線與雙曲線繪出後可知 \Omega 圖形如下
      2. 可以將知道區域 \Omega 可表達為 y\leq x\leq\sqrt{1+y^2}0\leq y\leq1,從而所求的重積分可計算如下

        \displaystyle\begin{aligned}\iint_{\Omega}xy\sin\left(x^2-y^2\right)dx\,dy&=\int_0^1\int_y^{\sqrt{1+y^2}}xy\sin\left(x^2-y^2\right)dx\,dy\\&=-\frac12\int_0^1y\cos\left(x^2-y^2\right)\Big|_{x=y}^{x=\sqrt{1+y^2}}dy\\&=\frac{1-\cos1}2\int_0^1y\,dy\\&=\frac{1-\cos1}4.\end{aligned}


    3. (14\%) Consider the fiugre shown here:
      1. Show that \displaystyle\tan\theta=\frac{x+2}{x^2-2x+2}.
      2. Find the value of x that maximizes the angle \theta.
    4. 訣竅先考察 \theta 周圍之角度,隨後使用和差角公式計算之;隨後運用微分求極值與正切函數的單調性求解即可。
      解法
      1. 設臨於 \theta 的左側夾角為 \alpha 而臨於 \theta 的右側夾角為 \beta,那麼有 \alpha+\beta+\theta=\pi,並且由正切函數的定義可知

        \displaystyle\tan\alpha=\frac1x,\quad\tan\beta=\frac2{2-x},

        此處 x\in\left(0,2\right)。那麼由和差角公式可知

        \begin{aligned}\tan\theta&=\tan\left[\pi-\left(\alpha+\beta\right)\right]=-\tan\left(\alpha+\beta\right)\\&=-\frac{\tan\alpha+\tan\beta}{1-\tan\alpha\tan\beta}=\frac{\displaystyle\frac1x+\frac2{2-x}}{\displaystyle\frac1x\cdot\frac2{2-x}-1}=\frac{x+2}{x^2-2x+2}.\end{aligned}

        對於 x=0x=2 的情形可以直接分別確認出 \tan\theta=1\tan\theta=2。因此該式對於 x\in\left[0,2\right] 成立。
      2. 由於 \tan\theta 之值明顯為正,因此 \theta 必為銳角,故為了找出最大夾角,這等同於找出最大的正切值。為此,我們設 \displaystyle f\left(x\right)=\frac{x+2}{x^2-2x+2},即求 f 的最大值,隨後再找出對應的夾角。首先可計算出 f 的導函數如下

        \displaystyle f'\left(x\right)=\frac{-x^2-4x+6}{\left(x^2-2x+2\right)^2}.

        為了找出最大值,我們解方程式 f'\left(x\right)=0,如此可得 x=-2\pm\sqrt{10}。但 x\in\left[0,2\right],因此取 x=-2+\sqrt{10}。現在確認端點與此位置的函數值分別為

        \displaystyle f\left(0\right)=1,\quad f\left(-2+\sqrt{10}\right)=\frac{3+\sqrt{10}}2,\quad f\left(2\right)=2.

        故最大的正切值為 \displaystyle\frac{3+\sqrt{10}}2,因此此角度的最大值為 \displaystyle\theta=\tan^{-1}\frac{3+\sqrt{10}}2,此時 x=-2+\sqrt{10}

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