八十八學年度轉學生入學考試
科目 微積分(經濟系) 共 3 頁第 1 頁 *請在試卷【答案卷】內作答科號:123
- 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)
- Let y=3√(x+1)3√(x2+1)3√(x3+1). Then dydx|x=0= 甲 .
- Evaluate the following:
- ∫212x+1x(x+1)2dx= 乙 .
- limn→∞1n[21/n+22/n+⋯+2n/n]= 丙 .
- ∞∑n=0(1−1n!)13n= 丁 .
- 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=1、B=−1、C=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(1x−1x+1+1(x+1)2)dx=lnx−ln(x+1)−1x+1|21=2ln2−ln3+16.
- 設 f(x)=2x,容易注意到該 Riemann sum 為 f 在 [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
limn→∞1n[21/n+22/n+⋯+2n/n]=∫102xdx=2xln2|10=1ln2.
- 運用分配律並利用熟知的級數結果可知
∞∑n=0(1−1n!)13n=∞∑n=013n−∞∑n=0(1/3)nn!=11−13−e1/3=32−e1/3.
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!.
- The minimum value of √(cosx−12)2+(sinx−12)2 with x∈R is 戊 .
- 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 .
- The solution of the integral equation
f(x)=1999+∫x0f(t)costdt
is given bt f(x)= 庚 . - The length of the parabolic spiral r=θ2 (θ≥0) that lies inside the circle r=4 is 辛 .
- Suppose the temperature distribution of a ball centered at the origin is
T(x,y,z)=1001+x2+y2+z2,x2+y2+z2≤20.
Then the direciton (which is a unit vector) of greatest increase of temperature at the point (1,2,3) is 壬 . - 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)
- (14%) Let Ω={(x,y)|0≤y≤1,x≥y and x2−y2≤1}.
- Sketch the region Ω.
- Evaluate the double integral
∬.
- 將所有邊界直線與雙曲線繪出後可知 \Omega 圖形如下
- 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}
- (14\%) Consider the fiugre shown here:
- Show that \displaystyle\tan\theta=\frac{x+2}{x^2-2x+2}.
- Find the value of x that maximizes the angle \theta.
- 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=0 與 x=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。 - 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}。
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y′y=13(x+1)+2x9(x2+1)+x29(x3+1).
代入 x=0 可得dydx|x=0=y′(0)y(0)=13.
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
訣竅
運用微分求極值即可。解法
設 f(x)=√(cosx−12)2+(sinx−12)2,則其導函數如下f′(x)=−sinx(cosx−12)+cosx(sinx−12)√(cosx−12)2+(sinx−12)2.
解方程 f′(x)=0,即解 sinx−cosx=0,如此可得 x=π4+kπ,其中 k∈Z。可直接檢驗得知f(π4+2kπ)=1−√22,f(5π4+2kπ)=1+√22.
故最小值為 1−√22。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.
取 x=0、y=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 y−1=−(x−0),或寫為 x+y=1。容易看出切線方成交 x 軸與 y 軸於 (1,0) 與 (0,1),故形成的三角形面積為 12。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 e−sinx 可得[e−sinxf(x)]′=e−sinxf′(x)−e−sinxf(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.
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 0≤θ≤2,故運用曲線弧長公式可知L=∫20√r2+(drdθ)2dθ=∫20√θ4+4θ2dθ=∫20θ√θ2+4dθ=13(θ2+4)3/2|20=16√2−83.
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。
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