2020年7月13日 星期一

國立臺灣大學一百零七學年度研究所碩士班入學考試試題:微積分(A)

Write down your answers in order. You should provide all the necessary calculus and reasoning.
  1. (10%) Find the horizontal and vertical asymptotes of $y=f\left(x\right)$, where

    $\displaystyle f\left(x\right)=\frac{\sqrt{x^4+x^3+1}-\sqrt{x^4-x^3+1}}{\left|x\right|}+\frac{\ln\left|x+1\right|}x$

  2. 訣竅按照水平漸近線與鉛直漸近線的定義計算即可。
    解法為了方便分析,設

    $\displaystyle\begin{aligned}&g\left(x\right)=\frac{\sqrt{x^4+x^3+1}-\sqrt{x^4-x^3+1}}{\left|x\right|}=\frac{x\left|x\right|}{\sqrt{x^4+x^3+1}+\sqrt{x^4-x^3+1}}\\&h\left(x\right)=\frac{\ln\left|x+1\right|}{x}\end{aligned}$

    那麼 $f=g+h$。
    • 先計算水平漸近線如下

      $\displaystyle\lim_{x\to\pm\infty}f\left(x\right)=\lim_{x\to\pm\infty}g\left(x\right)+\lim_{x\to\pm\infty}h\left(x\right)=\pm\frac12$

      故水平線 $\displaystyle y=\frac12$ 與 $\displaystyle y=-\frac12$ 皆為水平漸近線。
    • 另一方面可以注意到

      $\displaystyle\lim_{x\to-1}f\left(x\right)=\lim_{x\to-1}g\left(x\right)+\lim_{x\to-1}h\left(x\right)=\infty$

      故 $x=-1$ 為鉛直漸近線。此外,由於

      $\displaystyle\lim_{x\to0}f\left(x\right)=\lim_{x\to0}g\left(x\right)+\lim_{x\to0}h\left(x\right)=\frac0{2}+\lim_{x\to0}\frac{1/\left(x+1\right)}1=1$

      故 $x=0$ 並非鉛直漸近線。
    因此所求的漸近線們分別為 $\displaystyle y=\pm\frac12$ 與 $x=-1$。

    1. (4%) Show that $\displaystyle f\left(x\right)=1+x+\int_{-x}^xe^{-t^2}dt$ is one-to-one.
    2. (6%) Let $g\left(x\right)=f^{-1}\left(x\right)$. Find $g\left(1\right)$, $g'\left(1\right)$, and $g''\left(1\right)$.
  3. 訣竅利用使用微積分基本定理求導後確認函數的單調性,從而說明該函數為單射;隨後利用反函數微分法求解。
    解法
    1. 利用微積分基本定理與連鎖律可知

      $\displaystyle f'\left(x\right)=1+e^{-x^2}\cdot1-e^{-\left(-x\right)^2}\cdot\left(-1\right)=1+2e^{-x^2}>1$

      因此若由反證法,設函數 $f$ 並非單射,即存在 $x_1<x_2$ 滿足 $f\left(x_1\right)=f\left(x_2\right)$,那麼由均值定理可知存在 $c\in\left(x_1,x_2\right)$ 滿足

      $\displaystyle f'\left(c\right)=\frac{f\left(x_2\right)-f\left(x_1\right)}{x_2-x_1}=0$

      這便與 $f'>1$ 矛盾,故 $f$ 單射。
    2. 按照反函數的定義可知 $g\left(f\left(x\right)\right)=x$,那麼由 $f\left(0\right)=1$ 可取 $x=0$ 得 $g\left(1\right)=0$。再者求導兩次有

      $g'\left(f\left(x\right)\right)f'\left(x\right)=1$, $g''\left(f\left(x\right)\right)\left[f'\left(x\right)\right]^2+g'\left(f\left(x\right)\right)f''\left(x\right)=0$

      皆取 $x=0$ 可知

      $g'\left(1\right)f'\left(0\right)=1$, $g''\left(1\right)\left[f'\left(0\right)\right]^2+g'\left(1\right)f''\left(0\right)=0$

      又留意 $f''\left(x\right)=-4xe^{-x^2}$,因此所求為

      $\displaystyle g'\left(1\right)=\frac1{f'\left(0\right)}=\frac13$, $g''\left(1\right)=0$。


  4. (10%) Consider $\displaystyle\sum_{i=1}^{1000}\sqrt[3]{i}$ and $\displaystyle\sum_{i=1}^{999}\sqrt[3]{i}$. Use an integral to give $\displaystyle\sum_{i=1}^{1000}\sqrt[3]{i}$ an upper bound and a lower bound.
  5. 訣竅利用積分所得的面積估計其上下界。
    解法藉由觀察函數 $f\left(x\right)=\sqrt[3]{x}$ 在 $\left[1,1000\right]$ 與 $\left[1,999\right]$ 的面積可知

    $\displaystyle\sum_{i=1}^{999}\sqrt[3]{i}<\int_1^{1000}f\left(x\right)dx<\sum_{i=2}^{1000}\sqrt[3]{i}$

    如此便得

    $\displaystyle\frac{4+3\left(10^4-1\right)}4=1+\int_1^{1000}\sqrt[3]{x}dx<\sum_{i=1}^{1000}\sqrt[3]{i}<10+\int_1^{1000}\sqrt[3]{x}dx=\frac{40+3\left(10^4-1\right)}4$


  6. Evaluate the integral or show that it diverges.
    1. (6%) $\displaystyle\int_1^{\infty}\frac{\text{arctan}\left(x\right)}{x^2}dx$.
    2. (6%) $\displaystyle\int_0^1\frac1{x\sqrt{1+\left(\ln x\right)^2}}dx$.
  7. 訣竅分別運用分部積分法與變數代換法處理即可。
    解法
    1. 使用分部積分法可知

      $\displaystyle\begin{aligned}\int_1^{\infty}\frac{\text{arctan}\left(x\right)}{x^2}dx&=\left.-\frac{\tan^{-1}x}x\right|_1^{\infty}+\int_1^{\infty}\frac{dx}{x\left(x^2+1\right)}\\&=\frac\pi4+\int_1^{\infty}\left(\frac1x-\frac{x}{x^2+1}\right)dx=\frac\pi4+\left.\left(\ln\left|x\right|-\frac12\ln\left(x^2+1\right)\right)\right|_1^{\infty}\\&=\frac\pi4+\left.\ln\frac{x}{\sqrt{x^2+1}}\right|_1^{\infty}=\frac\pi4+\frac{\ln2}2\end{aligned}$

    2. 令 $\theta=\tan^{-1}\left(\ln x\right)$,那麼
      • 當 $x\to0^+$ 時有 $\displaystyle\theta\to-\frac\pi2$;
      • 當 $x=1$ 時有 $\theta=0$;
      • 容易注意到 $x=e^{\tan\theta}$,故 $1+\left(\ln x\right)^2=\sec^2\theta$,且知 $dx=e^{\tan\theta}\sec^2\theta d\theta$。
      據此所求的瑕積分為

      $\displaystyle\begin{aligned}\int_0^1\frac1{x\sqrt{1+\left(\ln x\right)^2}}dx&=\int_{-\frac\pi2}^0\frac1{e^{\tan\theta}\cdot\sec\theta}\cdot e^{\tan\theta}\sec^2\theta d\theta=\int_{-\frac\pi2}^0\sec\theta d\theta\\&=\ln\left|\sec\theta+\tan\theta\right|\Big|_{-\frac\pi2}^0=-\lim_{\theta\to\left(-\frac\pi2\right)^+}\ln\left|\frac{1+\sin\theta}{\cos\theta}\right|=-\lim_{\theta\to\left(-\frac\pi2\right)^+}\ln\left|\frac{\cos\theta}{1-\sin\theta}\right|=\infty\end{aligned}$

      故此瑕積分發散。

  8. Consider the flow of blood through a blood vessel with cross-section $D=\left\{\left(x,y\right)\mid\,x^2+y^2\leq R^2\right\}$, a small disc with radius $R>0$. Suppose that the velocity of the blood, $v$, through each point of the cross-section is $v\left(x,y\right)=cP\left(R^2-x^2-y^2\right)$, where $c$ is a constant and $P$ is the pressure difference between the ends of the vessel. We define the flux of the blood, $F$, as $\displaystyle F=\iint_Dv\left(x,y\right)dA$.
    1. (4%) Derive the formula of $F$ in terms of $R$ and $P$.
    2. (8%) Assume that the flux of the blood is constant, and the pressure $P=4000$ dynes/cm$^2$ when $R=0.008$ cm. Now the radius of the cross-section decreases at a constant rate $dR/dt=-0.0002$ cm/year. Find the rate of increase of $P$ when $R=0.006$ cm.
  9. 訣竅依照題意使用極座標計算重積分即可獲得 $F$ 的表達式;隨後使用相關變率的概念求導即可。
    解法
    1. 由極座標變換 $\left\{\begin{aligned}&x=r\cos\theta\\&y=r\sin\theta\end{aligned}\right.$,那麼 $\left\{\begin{aligned}&0\leq r\leq R\\&0\leq\theta\leq2\pi\end{aligned}\right.$,如此所求之通量的重積分可改寫並計算如下

      $\displaystyle R=\int_0^{2\pi}\int_0^RcP\left(R^2-r^2\right)rdrd\theta=\left.2cP\pi\int_0^R\left(R^2r-r^3\right)dr=2cP\pi\left(\frac{R^2r^2}2-\frac{r^4}4\right)\right|_0^R=\frac{cPR^4\pi}2$

    2. 由於 $F$ 為常數,故 $PR^4$ 為常數 $C$,那麼按照題意我們先求當 $R=0.006$ 公分時的壓力,即

      $4000\cdot0.008^4=P\cdot0.006^4$

      可知此時的 $\displaystyle P=4000\cdot\left(\frac43\right)^4=\frac{1024000}{81}$。又將方程式 $PR^4=C$ 同時對 $t$ 求導可得

      $\displaystyle R^4\frac{dP}{dt}+4PR^3\frac{dR}{dt}=0$

      那麼有

      $\displaystyle\frac{dP}{dt}=-\frac{4P}{R}\frac{dR}{dt}=-\frac{16000\left(4/3\right)^4}{0.006}\cdot-0.0002=\frac{409600}{243}$


  10. Consider the ellipse $x^2+xy+y^2=3$.
    1. (6%) Find the points on which the ellipse obtains the maximum and the minimum $y$ coordinate.
    2. (6%) Find the equations of the two tangent lines to the ellipse that pass through the point $\left(4,-2\right)$.
  11. 訣竅利用隱函數微分找出滿足極值的條件,又或使用拉格朗日乘子法找出極值,又或解出後求導得極值;先表達出切線方程式後代入座標以求得切點。
    解法
    1. 【方法一】 使用隱函數微分可得

      $\displaystyle2x+y+x\frac{dy}{dx}+2y\frac{dy}{dx}=0$

      若在 $\left(a,b\right)$ 處產生極值,那麼 $\displaystyle\frac{dy}{dx}=0$,故 $\left(a,b\right)$ 滿足 $a^2+ab+b^2=3$ 且 $2a+b=0$。利用代入消去法得 $a^2+a\cdot\left(-2a\right)+\left(-2a\right)^2=3$,因此 $a^2=1$,即 $a=\pm1$,而有 $b=\mp2$。故產生最高點與最低點的位置分別為 $\left(-1,2\right)$ 與 $\left(1,-2\right)$。

      【方法二】 設拉格朗日乘子函數為

      $F\left(x,y,\lambda\right)=y+\lambda\left(x^2+xy+y^2-3\right)$

      據此解聯立方程組

      $\left\{\begin{aligned}&F_x\left(x,y,\lambda\right)=\lambda\left(2x+y\right)=0\\&F_y\left(x,y,\lambda\right)=1+\lambda\left(x+2y\right)=0\\&F_{\lambda}\left(x,y,\lambda\right)=x^2+xy+y^2-3=0\end{aligned}\right.$

      由於明顯 $\lambda\neq0$,故 $2x+y=0$,代入第三式可循方法一同樣解得 $\displaystyle x=\pm1$ 而 $y=\mp2$,故最高點為 $\left(-1,2\right)$,而最低點為 $\left(1,-2\right)$。

      【方法三】 直接解得 $\displaystyle y=\frac{-x\pm\sqrt{12-3x^2}}2$,其中 $x\in\left[-2,2\right]$,求導有

      $\displaystyle\frac{dy}{dx}=\displaystyle-\frac12\mp\frac{3x}{2\sqrt{12-3x^2}}$

      若解方程式 $\displaystyle\frac{dy}{dx}=0$ 可得 $x=\pm1$,從而得 $y=\mp2$。再者當 $x=\pm2$ 時,$y=\mp1$。因此最高點為 $\left(-1,2\right)$、最低點為 $\left(1,-2\right)$。

    2. 設橢圓上之切點為 $\left(x_0,y_0\right)$,那麼由前一小題的解法一可知在該處的切線斜率為 $\displaystyle\left.\frac{dy}{dx}\right|_{\left(x,y\right)=\left(x_0,y_0\right)}=-\frac{2x_0+y_0}{x_0+2y_0}$,故切線方程式能寫為

      $\displaystyle y-y_0=-\frac{2x_0+y_0}{x_0+2y_0}\left(x-x_0\right)$

      由於通過 $\left(4,-2\right)$,因此有

      $\left(2+y_0\right)\left(x_0+2y_0\right)=\left(2x_0+y_0\right)\left(4-x_0\right)$

      即 $2x_0^2+2x_0y_0+2y_0^2-6x_0=0$,故得 $x_0=1$。代入該方程式中有 $y_0^2+y_0-2=0$,因而 $y_0=1$ 或 $y_0=-2$,如此有兩條切線方程式 $x+y=2$ 與 $y=-2$ 滿足條件。

  12. (10%) Use Taylor series to approximate $\displaystyle\int_0^1\cos\left(x^5\right)dx$ with error smaller than $10^{-4}$.
  13. 訣竅由基本的泰勒展開式計算並透過交錯級數的誤差估計獲得近似值。
    解法由餘弦函數的泰勒展開式可知

    $\displaystyle\cos\left(x\right)=\sum_{n=0}^{\infty}\frac{\left(-1\right)^n}{\left(2n\right)!}x^{2n}=1-\frac{x^2}2+\frac{x^4}{24}-\cdots$

    用 $x^5$ 取代 $x$ 可知

    $\displaystyle\cos\left(x^5\right)=\sum_{n=0}^{\infty}\frac{\left(-1\right)^n}{\left(2n\right)!}x^{10n}=1-\frac{x^{10}}2+\frac{x^{20}}{24}-\cdots$

    故同取定積分能得

    $\displaystyle\int_0^1\cos\left(x^5\right)dx=\int_0^1\sum_{n=0}^{\infty}\frac{\left(-1\right)^n}{\left(2n\right)!}x^{10n}dx=\sum_{n=0}^{\infty}\frac{\left(-1\right)^n}{\left(2n\right)!}\int_0^1x^{10n}dx=\sum_{n=0}^{\infty}\frac{\left(-1\right)^n}{\left(2n\right)!\left(10n+1\right)}$

    因為當 $n=3$ 時有 $\displaystyle\left|\frac{\left(-1\right)^3}{6!\cdot31}\right|=\frac1{22320}<10^{-4}$,故得該定積分在不超過 $10^{-4}$ 為誤差的近似值為

    $\displaystyle\int_0^1\cos\left(x^5\right)dx\approx\sum_{n=0}^2\frac{\left(-1\right)^n}{\left(2n\right)!\left(10n+1\right)}=1-\frac1{22}+\frac1{504}$


  14. Let

    $f\left(x,y\right)=\begin{cases}\displaystyle\frac{x^2y}{x^2+y^2}&\mbox{if}~\left(x,y\right)\neq\left(0,0\right)\\0&\mbox{if}~\left(x,y\right)=\left(0,0\right)\end{cases}$

    1. (4%) Compute the directional derivative $D_{\vec{u}}f\left(0,0\right)$, where $\vec{u}=\left(\cos\theta,\sin\theta\right)$. Is $\left(0,0\right)$ a critical point of $f$?
    2. (8%) Find the maximum and minimum values of $f$ on the unit disc $D=\left\{\left(x,y\right)\mid\,x^2+y^2\leq1\right\}$.
  15. 訣竅按照定義計算方向導數;隨後使用初等不等式或拉格朗日乘子法求其極值。
    解法
    1. 按照定義求方向導數有

      $\displaystyle D_{\vec{u}}f\left(0,0\right)=\lim_{h\to0}\frac{f\left(h\cos\theta,h\sin\theta\right)-f\left(0,0\right)}h=\lim_{h\to0}\frac{h^3\cos^2\theta\sin\theta}{h^3}=\cos^2\theta\sin\theta$

      當 $\theta=0$ 或 $\pi$ 或 $\displaystyle\pm\frac\pi2$ 其方向導數皆為零,故 $f$ 在 $\left(0,0\right)$ 的兩個偏導函數值皆為零。因此 $\left(0,0\right)$ 為臨界點。
    2. 【方法一】容易由算術幾何不等式注意到

      $\displaystyle\frac{x^2+y^2}3=\frac{x^2+y^2/2+y^2/2}3\geq\sqrt[3]{\frac{x^4y^2}4}=\frac{\left(x^2y\right)^{2/3}}{\sqrt[3]{4}}$

      立方後開根號可得

      $\displaystyle\frac{\left(x^2+y^2\right)\sqrt{x^2+y^2}}{3\sqrt3}\geq\frac{x^2y}2\geq-\frac{\left(x^2+y^2\right)\sqrt{x^2+y^2}}{3\sqrt3}$

      $\displaystyle\frac{2\sqrt3}9\geq\frac{2\sqrt{x^2+y^2}}{3\sqrt3}\geq\frac{x^2y}{x^2+y^2}\geq-\frac{2\sqrt{x^2+y^2}}{3\sqrt3}\geq-\frac{2\sqrt3}9$

      故最大值與最小值分別為 $\displaystyle\pm\frac{2\sqrt3}9$。

      【方法二】 若在內點但不為原點處,可容易求偏導得

      $\displaystyle f_x\left(x,y\right)=\frac{2xy^3}{\left(x^2+y^2\right)^2}$, $\displaystyle f_y\left(x,y\right)=\frac{x^4-x^2y^2}{\left(x^2+y^2\right)^2}$

      明顯可知無處為零,又由前一小題的結果能知在圓盤內點處僅當在原點處有偏導為零,但透過方向導數的型態可知在該處不產生極值。為此,我們考慮限制條件為 $x^2+y^2=1$,此時欲求極值之函數可寫為 $x^2y$,據此設拉格朗日乘子函數如下

      $F\left(x,y,\lambda\right)=x^2y+\lambda\left(x^2+y^2-1\right)$

      如此我們解下列的聯立方程組

      $\left\{\begin{aligned}&F_x\left(x,y,\lambda\right)=2xy+2\lambda x=0\\&F_y\left(x,y,\lambda\right)=x^2+2\lambda y=0\\&F_{\lambda}\left(x,y,\lambda\right)=x^2+y^2-1=0\end{aligned}\right.$

      由第一式可知 $x=0$ 或 $\lambda=-y$。
      • 若 $x=0$,那麼可由第三式知 $y=\pm1$;
      • 若 $\lambda=-y$,那麼由第二式可知 $x^2=2y^2$,由第三式便得 $\displaystyle y=\pm\frac1{\sqrt3}$,而 $\displaystyle x=\pm\frac{\sqrt2}{\sqrt3}$(共計四個點)。
      據此能發現 $f$ 的最大與最小值分別為 $\displaystyle\pm\frac{2\sqrt3}9$。


  16. (12%) Evaluate the integral $\displaystyle\iiint_Eze^{x^2+y^2}dV$, where $E$ is the portion of the unit ball $x^2+y^2+z^2\leq1$ that lies in the first octant and above the cone $z=\sqrt{x^2+y^2}$.
  17. 訣竅直接計算後使用極座標;亦可直接使用球面座標計算。
    解法一設 $D=\left\{\left(x,y\right)\in\mathbb{R}^2:\,x^2+y^2\leq1/2,\,x,y\geq0\right\}$,如此所求可先初步計算如下

    $\displaystyle\iiint_Eze^{x^2+y^2}dV=\iint_D\int_{\sqrt{x^2+y^2}}^{\sqrt{1-x^2-y^2}}ze^{x^2+y^2}dzdA=\frac12\iint_De^{x^2+y^2}\left(1-2x^2-2y^2\right)dA$

    於是令 $\left\{\begin{aligned}&x=r\cos\theta\\&y=r\sin\theta\end{aligned}\right.$,如此 $\left\{\begin{aligned}&0\leq r\leq1/\sqrt2\\&0\leq\theta\leq\frac\pi2\end{aligned}\right.$,所求之三重積分可改寫並計算如下

    $\displaystyle\iiint_Eze^{x^2+y^2}dV=\frac12\int_0^{\frac\pi2}\int_0^{1/\sqrt2}e^{r^2}\left(1-2r^2\right)rdrd\theta=\frac\pi4\int_0^{1/\sqrt2}e^{r^2}\left(1-2r^2\right)rdr$

    令 $u=r^2$,如此可使用變數代換法後再由分部積分法計算如下

    $\displaystyle\iiint_Eze^{x^2+y^2}dV=\frac\pi8\int_0^{1/2}e^u\left(1-2u\right)du=\left.\frac\pi8\left(3e^u-2ue^u\right)\right|_0^{1/2}=\frac\pi8\left(2e^{1/2}-3\right)$

    解法二令 $\left\{\begin{aligned}&x=\rho\cos\theta\sin\phi\\&y=\rho\sin\theta\sin\phi\\&z=\rho\cos\phi\end{aligned}\right.$,那麼按照題意所描述的區域可知 $\left\{\begin{aligned}&0\leq\rho\leq1\\&0\leq\theta\leq\frac\pi2\\&0\leq\phi\leq\frac\pi4\end{aligned}\right.$,如此所求的三重積分可改寫並計算如下

    $\displaystyle\begin{aligned}\iiint_Eze^{x^2+y^2}dV&=\int_0^{\frac\pi2}\int_0^{\frac\pi4}\int_0^1\rho\cos\phi e^{\rho^2\sin^2\phi}\rho^2\sin\phi d\rho d\phi d\theta\\&=\frac\pi2\int_0^1\int_0^{\frac\pi4}e^{\rho^2\sin^2\phi}\rho^3\cos\phi\sin\phi d\phi d\rho=\frac\pi4\int_0^1\rho e^{\rho^2\sin^2\phi}\Big|_0^{\pi/4}d\rho\\&=\frac\pi4\int_0^1\left(\rho e^{\rho^2/2}-\rho\right)d\rho=\left.\frac\pi4\left(e^{\rho^2/2}-\frac{\rho^2}2\right)\right|_0^1=\frac{\pi}4\left(e^{1/2}-\frac32\right)=\frac\pi8\left(2e^{1/2}-3\right)\end{aligned}$

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