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2021年2月15日 星期一

國立臺灣大學一百一拾學年度研究所碩士班入學考試試題:微積分(A)

※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.

  1. Suppose that f(x) satisfies the equation f(x+y)=f(x)+f(y)+xyx2yxy2 for all x,yR and limx0f(x)x=2.
    1. (6 pts) Find f(0) and f(x).
    2. (6 pts) Sketch the graph of f(x), indicating intervals of increasing/decreasing, and concavity.
  2. 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
    1. 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(h0)有

      f(x)=limh0f(x+h)f(x)h=limh0f(h)+xhx2hxh2h=limh0[f(h)h+xx2xh]=2+xx2.

    2. 解不等式 f(x)>0,即 x2x2=(x2)(x+1)<0,可得 1<x<2,故 f(1,2) 上遞增而在 (,1)(2,) 上遞減。又計算二階導函數有 f(x)=12x,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


  3. 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.
    1. (10 pts) How should he choose the point C to minimize the total time?
    2. (6 pts) If he runs m times as fast as he swims, how will his best strategy be modified as m varies (m1)?
  4. 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
    1. 設圓池圓心為 O,設跑至點 CAOC=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)=10v20sin(θ/2)v

      那麼解方程式 f(θ)=0θ=π3。又計算二階導函數有 f(θ)=10cos(θ/2)v0,因此 fπ/3 處為局部極大值;且知 f 遞減,故 fπ/3 處為絕對極大值。又計算 f(0)=40/vf(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
    2. 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

      fm(θ)=20mv20sin(θ/2)v, fm(θ)=10cos(θ/2)v0.

      這表示最小值必發生在邊界。容易知道 fm(0)=40vfm(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。

  5. Investigate the integral 10lnx1+x2dx.
    1. (7 pts) Show that the improper integral 10lnx1+x2dx converges. Show that

      10lnx1+x2dx=1lnx1+x2dx.

    2. (4 pts) Write 11+x2 as the sum of a power series anxn.
    3. (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.
  6. 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
    1. 由於 11+x21lnx0,因此有 lnx1+x2lnx。容易發現

      10lnxdx=limt0+1tlnxdx=limt0+[xlnxx]1t=limt0+(1tlnt+t)=1.

      因此藉由比較可知瑕積分 10lnx1+x2dx 收斂。

      u=1/x,那麼

      • x0+ 時有 u
      • x=1 時有 u=1
      • 函數 lnx=ln(1/u)=lnu,且求導有 dx=u2du
      據此給定的瑕積分可改寫如下

      10lnx1+x2dx=0lnu1+(1/u)21u2du=0lnu1+u2du.

      最後透過啞變數變換(令 u=x)便完成證明。

    2. x2 為公比,那麼有

      11+x2=11(x2)=n=0(x2)n=n=0(1)nx2n.

    3. 利用 (b) 的結果與分部積分法有

      10lnx1+x2dx=10n=0(1)nx2nlnxdx=n=0(1)n10x2nlnxdx=n=0(1)n2n+1[x2n+1lnx|1010x2ndx]=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>12ε 則知級數 Nn=0(1)n+1(2n+1)2 與瑕積分 10lnx1+x2dx 之差不超過 ε

  7. (10 pts) Find the twice differentiable function f(x) such that

    f(x)=x01+(f(u))2du, f(0)=2.

  8. 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

    dg1+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 g1+g2 可導出 g1+g2=ex,故兩式相加除以二可得

    f(x)=g(x)=exex2

    最後再取一次積分並使用 f(0)=2

    f(x)=ex+ex2+1=(ex/2+ex/2)22=12cosh2(x2).


    1. (5 pts) Let f(x,y,z)=yxzsin(t2)dt. Find f, the gradient of f.
    2. (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).
  9. 訣竅按梯度與方向導數的定義計算即可。
    解法
    1. 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)zxz1,sin(y)12y,sin(x2z)xzlnx).

    2. 由方向導數的定義可知

      Duf(0,0)=limh0f(hcosθ,hsinθ)f(0,0)h=limh0sin(h3cosθsin2θ)h3=cosθsin2θ.


  10. (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?
  11. 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 xy 求偏導可得

    yzx+lny=2zzx,  z+yzy+xy=2zzy.

    (x0,y0) 為臨界點且記 z0:=f(x0,y0),那麼有 zx=fx(x0,y0)=0zy=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=0z0=1。這樣對於第二式則可獲得兩個臨界點為 (x0,y0,z0)=(0,1,0)(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+yzyyxy2=2z2y+2zzyy.

    那麼
    • 對於臨界點 (x,y,z)=(0,1,0)fxx(0,1)=0fxy(0,1)=1fyy(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)fxx(1,1)=0fxy(1,1)=1fyy(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。


  12. Evaluate the following multiple integrals.
    1. (7 pts) 3204y21y2ex2+y2dxdy+3324y2y3ex2+y2dxdy.
    2. (8 pts) E11+zdV, where E={(x,y,z)x2+y2+z21,x0,y0,z0}.
  13. 訣竅分別運用極座標變換與球面座標變換求解即可。
    解法
    1. 將兩項重積分區域繪圖如下

      {x=rcosθy=rsinθ,那麼由圖形所指示可知變數範圍為 {1r20θπ3,如此所求能表達並計算如下

      π3021er2rdrdθ=π321rer2dr=π6er2|21=π(e4e)6.

    2. {x=ρcosθsinϕy=ρsinθsinϕz=ρcosϕ,其中變數範圍為 {0ρ10θπ20ϕπ2,如此所求的三重積分可改寫並計算如下

      E11+zdV=π20π201011+ρcosϕρ2sinϕdρdϕdθ=π210π20ρ2sinϕ1+ρcosϕdϕdρ=π210ρln(1+ρcosϕ)|ϕ=π2ϕ=0dρ=π210ρln(1+ρ)dρ=π4(ρ2ln(1+ρ)|1010ρ21+ρdρ)=π4[ln210(ρ1+11+ρ)dρ]=π4[ln2(ρ22ρ+ln(1+ρ))|10]=π8.


  14. (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.
  15. 訣竅將曲面參數化後代入計算即可。
    解法S 參數化如下

    u(r,θ)=(rcosθ,rsinθ,4r2)

    其中參數 rθ 的範圍為 {0r2sinθ0θπ2。再者有

    dS=|ur×uθ|drdθ=|(cosθ,sinθ,r4r2)×(rsinθ,rcosθ,0)|drdθ=|(r2cosθ4r2,r2sinθ4r2,r)|drdθ=24r2drdθ.

    據此所求的曲面積分可表達並計算如下

    SzdS=π202sinθ04r224r2drdθ=π204sinθdθ=4cosθ|π20=4.

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