For Questions 1 to 7, show your calculations in detail on the answer sheet.
- (10%) Evaluate the limit limx→0e3x−1x.
- (10%) Find the area of the region bounded by the graphs of f(x)=−x2+2x and g(x)=3x3−x2−10x.
- (10%) Evaluate ∫sin√x√xdx.
- (10%) Find the values of x for which the power series is convergent: +∞∑n=1(−1)n+12nxnn3n.
- 當 x=−32 時級數寫為 ∞∑n=1−1n,此為調和級數從而發散;
- 當 x=32 時級數寫為 ∞∑n=1(−1)n+1n,此由交錯級數審歛法可知收斂。
- (10%) Find dydx if y=tanh−1(cos2x).
- (35%) Let wT denote the terminal wealth of a uni-dollar investment after T periods. Consider two possible cumulative distribution functions (CDFs) for wT as follows.
{lnwT∼N(TμF,Tσ2F)if the CDF F(wT) is consideredlnwT∼N(TμG,Tσ2G)if the CDF G(wT) is considered
where N(μ,σ2) represents the normal distribution with the mean to be μ and the variance to be σ2. For any utility function U′(⋅)≥0, the expected utility under F or G isEPU(wT)=∫∞0U(wT)dP(wT) for P=F or G.
Last, Φ(c)≡∫c−∞1√2πe−x22dx is the CDF for the standard normal distribution.- (5%) Find w∗T such that F(w∗T)=G(w∗T).
- (10%) Suppose that σF>σG. Prove ∫w∗T0[G(wT)−F(wT)]dwT<0.
- (20%) Consider a utility function
U(wT)={wTif wT≤MM[ln(wt/M)+1]if wT>M
where M is a positive constant, and the expected utility under F isEFU(wT)=∫M0U(wT)dF(wT)+∫∞MU(wT)dF(wT)=Ⅰ+Ⅱ.
- (5%) Prove that 0<Ⅰ<MΦ(lnM−TμF√TσF).
- (10%) If Ⅱ can be expressed as M[αΦ(β)+γe−δ2/2], what are α, β, γ, and δ?
- (5%) What is limT→∞1TEFU(wT)?
- 按照對數常態分配及其累積分配函數的定義可知
F(x)=1√2πTσF∫x−∞exp[−(lns−TμF)2/(2Tσ2F)]sds,G(x)=1√2πTσG∫x−∞exp[−(lns−TμG)2/(2Tσ2G)]sds.
運用變數代換法,函數 F 與 G 可分別改寫為F(x)=1√2π∫(lnx−TμF)/(√TσF)−∞e−t22dt, G(x)=1√2π∫(lnx−TμG)/(√TσG)−∞e−t22dt.
運用標準常態分佈的累積函數表達可知F(x)=Φ(lnx−TμF√TσF), G(x)=Φ(lnx−TμG√TσG)
為了解方程式 F(w∗T)=G(w∗T),我們應解方程式lnw∗T−TμF√TσF=lnw∗T−TμG√TσG
假若 σF≠σG 則可解得w∗T=exp(T(μGσF−μFσG)σG−σF)
假若 σF=σG 且 μF=μG,則無窮多組解;但 σF=σG 且 μF≠μG,則無解。 - 假若 σF>σG,那麼容易發現當 0<wT<w∗T 時有不等式
lnwT<lnw∗T=T(μGσF−μFσG)σG−σF
此表明lnwT−TμF√TσF<lnwT−TμG√TσG
從而 F(wT)−G(wT)<0,因此這個函數在 [0,w∗T] 上的積分恆負,證明完畢。 - 對於 Ⅰ 而言,容易看出當 wT∈[0,M] 時 U(wT)=wT。又 F′(wT)>0,這就說明了
Ⅰ=∫M0U(wT)dF(wT)=∫M0wTF′(wT)dwT>0
另一方面,可以由分部積分法看出Ⅰ=wTF(wT)|wT=MwT=0−∫M0F(wT)dwT<MF(M)=MΦ(lnM−TμF√TσF)
證明完畢。 - 直接將已知的資訊代入後有
Ⅱ=M∫∞M(1+lnwTM)⋅1wT√2πTσFexp[−((lnwT−TμF)/(√TσF))22]dwT
使用變數變換,令 s=lnwT−TμF√TσF,那麼- 當 wT→∞ 時有 s→∞;
- 當 wT=M 時有 s=lnM−TμF√TσF;
- 求導有 ds=dwTwT√TσF。
Ⅱ=M∫∞lnM−TμF√TσF(s√TσF+1+TμF−lnM)⋅1√2πe−s22ds=M∫∞lnM−TμF√TσF√TσF√2π⋅se−s22ds+M(1+TμF−lnM)∫∞lnM−TμF√TσF1√2πe−s22ds=M⋅−√TσF√2πe−s22|∞lnM−TμF√TσF+M(1+TμF−lnM)Φ(−lnM−TμF√TσF)=M[(1+TμF−lnM)Φ(TμF−lnM√TσF)+√TσF√2πexp(−((lnM−TμF)2/(√TσF))22)]
故取α=1+TμF−lnM, β=TμF−lnM√TσF, γ=√TσF√2π
以及 δ=lnM−TμF√TσF。 - 由於根據6.3.1以及累積分配函數的特性可知 Ⅰ<M,因此 Ⅰ/T 隨 T 趨於無窮而趨於零。又又利用6.3.2的結果可以看出 Ⅱ/T 隨 T 趨於無窮而趨於 MμF,因此所求
limT→∞1TEFU(wT)=limT→∞(ⅠT+ⅡT)=MμF
- 對於 Ⅰ 而言,容易看出當 wT∈[0,M] 時 U(wT)=wT。又 F′(wT)>0,這就說明了
- (15%) Define Φ(c)≡∫c−∞1√2πe−x22dx to be the cumulative distribution function for the standard normal distribution and a>0 and b>0.
- (5%) What is limy→∞eayΦ(−b√y) if a>b2/2?
- (5%) What is limy→∞eayΦ(−b√y) if a≤b2/2?
- (5%) What is limy→∞eb2y2√yΦ(−b√y)?
- 運用羅必達法則可知
limy→∞eayΦ(−b√y)=limy→∞∫−b√y−∞exp(−x2/2)dx√2πe−ay=limy→∞e−b2y2⋅−b2√y−a√2πe−ay=b2a√2πlimy→∞e(a−b2/2)y√y=∞
其中最後一個等號是因為 a−b2/2>0 所致。 - 運用羅必達法則可知
limy→∞eayΦ(−b√y)=limy→∞∫−b√y−∞exp(−x2/2)dx√2πe−ay=limy→∞e−b2y2⋅−b2√y−a√2πe−ay=b2a√2πlimy→∞e(a−b2/2)y√y=0
其中最後一個等號是因為 a−b2/2≤0 所致。 - 運用羅必達可知
limy→∞eb2y2√yΦ(−b√y)=limy→∞∫−b√y−∞exp(−x2/2)dx√2πexp(−b2y/2)/√y=limy→∞e−b2y2⋅−b2√y−b2√2πe−b2y22√y−√2πe−b2y22y√y=limy→∞byb2y√2π+√2π=1b√2π
訣竅
使用羅必達法則求解即可;亦可辨識其為導數的定義。解法一
由羅必達法則立即有limx→0e3x−1x=limx→03e3x1=3
解法二
設 f(x)=e3x,那麼所求的極限式可辨識為如下的導數值limx→0e3x−1x=limx→0f(x)−f(0)x−0=f′(0)=3e3x|x=0=3
訣竅
先找出兩曲線的交點並明確出兩者有界區域的範圍,隨後透過積分求出面積。解法
為了找出兩圖形的交點,我們由代入消去法去解方程式 −x2+2x=3x3−x2−10x,即 x3−4x=0,能得 x=0 與 x=±2。容易注意到當 x∈(0,2) 上有 f(x)>g(x),而當 x∈(−2,0) 時有 f(x)<g(x)。故所求的面積為A=∫0−2[g(x)−f(x)]dx+∫20[f(x)−g(x)]dx=3∫0−2(x3−4x)dx+3∫20(4x−x3)dx=3(x44−2x2)|0−2+3(x44−2x2)|20=12+12=24
訣竅
運用變數變換的概念求不定積分即可。解法
直接由變數變換的概念演算可知∫sin√x√xdx=2∫sin√xd√x=−2cos√x+C
訣竅
運用比值審歛法的概念求出收斂半徑,隨後檢驗端點的收斂性。解法
由比值審歛法的概念有R=limn→∞|anan+1|=limn→∞|2nn⋅3n⋅(n+1)3n+12n+1|=32
而對於端點的斂散性則檢驗如下訣竅
利用隱函數微分法求解;亦可將反雙曲函數的形式明確獲得後應用連鎖律即可。解法一
由條件可知1−2(1+e2y)−1=e2y−1e2y+1=tanhy=cos2x
如此使用隱函數微分有2(1+e2y)−2⋅2e2y⋅dydx=−2sin2x
故解得 dydx=−1e2y⋅sin2x2⋅(1+e2y)2。又利用條件可注意到 e2y=1+cos2x1−cos2x,故dydx=−1−cos2x1+cos2x⋅sin2x2⋅4(1−cos2x)2=−2csc2x
解法二
承解法一的過程可知y=12ln|1+cos2x1−cos2x|
因此求導便有dydx=12⋅1−cos2x1+cos2x⋅−2sin2x(1−cos2x)−(1+cos2x)⋅2sin2x(1−cos2x)2=−2sin2x(1+cos2x)(1−cos2x)=−2csc2x
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