※注意:請於試卷上「非選擇題作答區」內依序作答,並應註明作答之大題及其題號。
Any device with computer algebra system is prohibited during the exam. Solve the following problems. You need to write down your reasoning.
- Suppose that f(x) satisfies the equation f(x+y)=f(x)+f(y)+xy−x2y−xy2 for all x,y∈R and limx→0f(x)x=2.
- (6 pts) Find f(0) and f′(x).
- (6 pts) Sketch the graph of f(x), indicating intervals of increasing/decreasing, and concavity.
- 取 x=y=0 代入便有 f(0)=2f(0),因此 f(0)。如此取 y=h 並移項整理取極限(h→0)有
f′(x)=limh→0f(x+h)−f(x)h=limh→0f(h)+xh−x2h−xh2h=limh→0[f(h)h+x−x2−xh]=2+x−x2.
- 解不等式 f′(x)>0,即 x2−x−2=(x−2)(x+1)<0,可得 −1<x<2,故 f 在 (−1,2) 上遞增而在 (−∞,−1)∪(2,∞) 上遞減。又計算二階導函數有 f″(x)=1−2x,因此在 (−∞,1/2) 上凹口向上而在 (1/2,∞) 上凹口向下。結合以上資訊可繪製圖形如下
- A man runs twice as fast as he swims. He is at point A on the edge of a circular pool with radius 20 meters and he wants to get to the diametrically opposite point B as quickly as possible. He can run around the edge to a point C and then swim directly from C to B.
- (10 pts) How should he choose the point C to minimize the total time?
- (6 pts) If he runs m times as fast as he swims, how will his best strategy be modified as m varies (m≥1)?
- 設圓池圓心為 O,設跑至點 C 時 ∠AOC=θ 以及游泳速度為 v,那麼所需時間為
f(θ)=20θ2v+40cos(θ/2)v
其中 θ∈[0,π]。據此求導有f′(θ)=10v−20sin(θ/2)v
那麼解方程式 f′(θ)=0 有 θ=π3。又計算二階導函數有 f″(θ)=−10cos(θ/2)v≤0,因此 f 在 π/3 處為局部極大值;且知 f′ 遞減,故 f 在 π/3 處為絕對極大值。又計算 f(0)=40/v 且 f(π)=10π/v。因此直接沿著圓周跑到 B 點是最節省時間的辦法,即取 C=B。 - 依據相同的道理,考慮函數 fm(θ) 如下
fm(θ)=20θmv+40cos(θ/2)v
其中 θ∈[0,π]。求導可得f′m(θ)=20mv−20sin(θ/2)v, f″m(θ)=−10cos(θ/2)v≤0.
這表示最小值必發生在邊界。容易知道 fm(0)=40v 而 fm(π)=20πmv。那麼當 m<π2 時直接游泳直線過去會比較快,而當 m>π2 時直接沿著圓周跑過去比較快。而當 m=π2 時可沿圓周跑過去亦可游泳直線過去。 - Investigate the integral ∫10lnx1+x2dx.
- (7 pts) Show that the improper integral ∫10lnx1+x2dx converges. Show that
∫10lnx1+x2dx=−∫∞1lnx1+x2dx.
- (4 pts) Write 11+x2 as the sum of a power series ∑anxn.
- (6 pts) Write ∫10lnx1+x2dx=∫10(∑anxn)lnxdx as the sum of a series. Thus, we can use its partial sums to estimate the integral.
- (7 pts) Show that the improper integral ∫10lnx1+x2dx converges. Show that
- 由於 11+x2≤1 且 lnx≤0,因此有 lnx1+x2≥lnx。容易發現
∫10lnxdx=limt→0+∫1tlnxdx=limt→0+[xlnx−x]1t=limt→0+(−1−tlnt+t)=−1.
因此藉由比較可知瑕積分 ∫10lnx1+x2dx 收斂。令 u=1/x,那麼
- 當 x→0+ 時有 u→∞;
- 當 x=1 時有 u=1;
- 函數 lnx=ln(1/u)=−lnu,且求導有 dx=−u−2du。
∫10lnx1+x2dx=∫0∞−lnu1+(1/u)2⋅−1u2du=−∫∞0lnu1+u2du.
最後透過啞變數變換(令 u=x)便完成證明。 - 視 −x2 為公比,那麼有
11+x2=11−(−x2)=∞∑n=0(−x2)n=∞∑n=0(−1)nx2n.
- 利用 (b) 的結果與分部積分法有
∫10lnx1+x2dx=∫10∞∑n=0(−1)nx2nlnxdx=∞∑n=0(−1)n∫10x2nlnxdx=∞∑n=0(−1)n2n+1[x2n+1lnx|10−∫10x2ndx]=∞∑n=0(−1)n+1(2n+1)2.
如此對於給定的誤差 ε>0,我們可取正整數 N>12√ε 則知級數 N∑n=0(−1)n+1(2n+1)2 與瑕積分 ∫10lnx1+x2dx 之差不超過 ε。 - (10 pts) Find the twice differentiable function f(x) such that
f′(x)=∫x0√1+(f′(u))2du, f(0)=2.
- (5 pts) Let f(x,y,z)=∫√yxzsin(t2)dt. Find ∇f, the gradient of f.
- (5 pts) f(x,y)=sin(xy2)x2+y2 for (x,y)≠(0,0) and f(0,0)=0. Compute the directional derivative of f along u=(cosθ,sinθ) at (0,0).
- 按照梯度的定義並熟用微積分基本定理及連鎖律可得
∇f(x,y,z)=(fx(x,y,z),fy(x,y,z),fz(x,y,z))=(−sin(x2z)⋅zxz−1,sin(y)⋅12√y,−sin(x2z)⋅xzlnx).
- 由方向導數的定義可知
Duf(0,0)=limh→0f(hcosθ,hsinθ)−f(0,0)h=limh→0sin(h3cosθsin2θ)h3=cosθsin2θ.
- (10 pts) Find the critical points of f(x,y), where z=f(x,y) satisfies the equation yz+xlny=z2. Are these critical points local maximum, local minimum, or saddle points?
- 對於臨界點 (x,y,z)=(0,1,0) 有 fxx(0,1)=0、fxy(0,1)=−1、fyy(0,1)=0,如此其判別式
D=fxx(0,1)fyy(0,1)−f2xy(0,1)=−1<0
因此臨界點 (0,1,0) 為鞍點。 - 對於臨界點 (x,y,z)=(−1,1,1) 有 fxx(−1,1)=0、fxy(−1,1)=1、fyy(−1,1)=1,如此其判別式為
D=fxx(−1,1)fyy(−1,1)−f2xy(−1,1)=−1<0
因此臨界點 (−1,1,1) 為鞍點。 - Evaluate the following multiple integrals.
- (7 pts) ∫√320∫√4−y2√1−y2ex2+y2dxdy+∫√3√32∫√4−y2y√3ex2+y2dxdy.
- (8 pts) ∭E11+zdV, where E={(x,y,z)∣x2+y2+z2≤1,x≥0,y≥0,z≥0}.
- 將兩項重積分區域繪圖如下令 {x=rcosθy=rsinθ,那麼由圖形所指示可知變數範圍為 {1≤r≤20≤θ≤π3,如此所求能表達並計算如下
∫π30∫21er2rdrdθ=π3∫21rer2dr=π6er2|21=π(e4−e)6.
- 令 {x=ρcosθsinϕy=ρsinθsinϕz=ρcosϕ,其中變數範圍為 {0≤ρ≤10≤θ≤π20≤ϕ≤π2,如此所求的三重積分可改寫並計算如下
∭E11+zdV=∫π20∫π20∫1011+ρcosϕρ2sinϕdρdϕdθ=π2∫10∫π20ρ2sinϕ1+ρcosϕdϕdρ=−π2∫10ρln(1+ρcosϕ)|ϕ=π2ϕ=0dρ=π2∫10ρln(1+ρ)dρ=π4(ρ2ln(1+ρ)|10−∫10ρ21+ρdρ)=π4[ln2−∫10(ρ−1+11+ρ)dρ]=π4[ln2−(ρ22−ρ+ln(1+ρ))|10]=π8.
- (10 pts) Let S be the part of the cylinder x2+y2=2y that lies in the sphere x2+y2+z2=4 and inside the first quadrant. Compute ∬SzdS.
訣竅
對於第一小題直接按定義計算即可;第二小題則運用導函數的資訊求解。解法
訣竅
利用圓心角來描述點的位置,從而建立關於時間的函數並利用導函數找出最小值。解法
訣竅
首先藉由比較審歛法證明收斂性,隨後運用變數代換法證明該等式;之後由經典的無窮等比級數表達之,最後利用常見的分部積分法表達其總和並給出誤差估計。解法
訣竅
利用微積分基本定理求導後獲得二階微分方程,並利用分離變量法求解即可。解法
取 x=0 代入有 f′(0)=0。隨後求導可得f″(x)=√1+(f′(x))2, f(0)=2, f′(0)=0.
先記 g(x)=f′(x),那麼移項便有dg√1+g2=dx
同取積分並利用 g(0)=f′(0)=0 便得ln|g+√1+g2|=x
或寫為 g+√1+g2=ex。藉由同乘以 g−√1+g2 可導出 g−√1+g2=−e−x,故兩式相加除以二可得f′(x)=g(x)=ex−e−x2
最後再取一次積分並使用 f(0)=2 得f(x)=ex+e−x2+1=(ex/2+e−x/2)22=12cosh2(x2).
訣竅
按梯度與方向導數的定義計算即可。解法
訣竅
運用隱函數微分計算一階與二階偏導函數,並利用二階判別式檢驗臨界點的性質。解法
首先將給定的方程式對 x 與 y 求偏導可得yzx+lny=2zzx, z+yzy+xy=2zzy.
若 (x0,y0) 為臨界點且記 z0:=f(x0,y0),那麼有 zx=fx(x0,y0)=0 且 zy=f(x0,y0)=0,則有聯立方程為{lny0=0,z0+x0y0=0,y0z0+x0lny0=z20.
由第一式可知 y0=1,那麼代入第三式便有 z0=z20,即得 z0=0 或 z0=1。這樣對於第二式則可獲得兩個臨界點為 (x0,y0,z0)=(0,1,0) 或 (x0,y0,z0)=(−1,1,1)。進一步,計算二階偏導函數有
yzxx=2z2x+2zzxx, zx+yzxy+1y=2zxzy+2zzxy, 2zy+yzyy−xy2=2z2y+2zzyy.
那麼訣竅
分別運用極座標變換與球面座標變換求解即可。解法
訣竅
將曲面參數化後代入計算即可。解法
將 S 參數化如下u(r,θ)=(rcosθ,rsinθ,√4−r2)
其中參數 r 與 θ 的範圍為 {0≤r≤2sinθ0≤θ≤π2。再者有dS=|ur×uθ|drdθ=|(cosθ,sinθ,−r√4−r2)×(−rsinθ,rcosθ,0)|drdθ=|(r2cosθ√4−r2,r2sinθ√4−r2,r)|drdθ=2√4−r2drdθ.
據此所求的曲面積分可表達並計算如下∬SzdS=∫π20∫2sinθ0√4−r2⋅2√4−r2drdθ=∫π204sinθdθ=−4cosθ|π20=4.
沒有留言:
張貼留言