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2. 考試時間 100 分鐘。

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Academic year: 2022

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(1)

2017 年 4 月 22 日

姓名: 學號: 學系:

說明:

1. 本試題含封面共 7 頁,8 大題。

2. 考試時間 100 分鐘。

3. 請在每個試題所屬的頁面作答。如欲使用試題背面,請標示清楚。

4. 如果題目附有答案欄,請將答案寫在答案欄上。

5. 清楚地寫出計算及證明的過程,沒有過程的答案將不予記分。

題號 配分 分數 1 20

2 15

3 10

4 10

5 10

6 10

7 15

8 10

總分 100

(2)

1. 選擇題 (每題選出一個正確答案) (a) (5 points) 若 ex/y = x + y,dy

dx =?

(A) xy

x2+ xy + y2 (B) xex/y+ y2

yex/y− y2 (C) xy

xex/y− y2 (D) y

x 2

xy2ex/y (E) yex/y+ y2

xex/y− y2

(b) (5 points) 令 f (x) = 2x3− 9x2+ 12x. 選出一個正確選項

(A) f (x) 有一個局部極大值在 x = 1, 一個絕對極大值在 x = 2, 和一個反曲 點在 x = 3/2;

(B) f (x) 有局部極大值在 x = 1 和 x = 3/2, 及一個局部極小值在 x = 2;

(C) f (x) 有局部極小值在 x = 1 和 x = 2, 及一個反曲點在 x = 3/2;

(D) f (x) 有一個局部極大值在 x = 1, 一個局部極小值在 x = 2, 和一個反曲 點在 x = 3/2.

(E) f (x) 有反曲點在 x = 1, x = 2 和 x = 3/2;

(c) (5 points) 令 f (x) 連續且可微分在 [−1, 2] 區間上. 已知 f(−1) = −5 和 f(2) = 7.

下列哪一個敘述是「錯」的?

(A) f (x) 有一個絕對極大值在 [−1, 2]���;

(B) 存在一個點 c 介於-1 和 2 之間, 使得 f (c) = 0;

(C) 存在一個點 c 介於-1 和 2 之間, 使得 f(c) = 4;

(D) 存在一個點 c 介於-1 和 2 之間, 使得 f(c) > 0 ;

(E) 上述 (A), (B), (C), (D) 選項皆有可能因 f (x) 的其他性質不同而產生 錯誤.

(d) (5 points) 級數

n=1

(−1)n (n2+ 1)p(A) 絕對收斂當 p≥ 12;

(B) 絕對收斂當 p > 1 和條件收斂當 0 < p≤ 1;

(C) 絕對收斂當 0 < p≤ 12 和條件收斂當 p > 12; (D) 發散的對於任意 p;

(E) 絕對收斂當 p > 12 和條件收斂當 0 < p≤ 12.

Solution: (a) A (b) D (c) E (d) E

(3)

2. 計算

(a) (5 points) lim

x→−∞

( x x + 2

)x

(a)

Solution: Let y =( x x + 2

)x

. Then ln y = (

lnx+2x

)

1 x

. By L’Hopital’s Law,

xlim→∞ln y = lim

x→∞

(

lnx+2x )

1 x

= lim

x→∞

x+2

x · (x+2)2 2

x12 = lim

x→∞ 2x

x + 2 =−2.

Hence, lim

x→∞y = lim

x→∞eln y = e−2. (b) (5 points)

π

4

0

x cos x dx.

(b) Solution: Let u = x and dv = cos xdx. Using the integration by parts,

π

4

0

x cos x dx = x sin x π4

0

π

4

0

sin x dx = x sin x π4

0 + cos x π4

0

= π 4 sinπ

4 − 0 + cosπ

4 − cos 0 = π√ 2 8 +

2 2 − 1

(c) (5 points) 寫出函數圖形 y = xcos(πx) 於 x = 3 的切線方程式.

(c) Solution: Let y = f (x) = xcos(πx). Then ln y = cos(πx)· ln x. Hence

d

dx(ln y) = 1 y

dy

dx = π· [− sin(πx) · ln s] + cos(πx) · 1 x We have

dy

dx = xcos(πx)[cos(πx)

x − π ln x · sin(πx)]

Also, f (3) = 3−1 = 13 and the slope of the tangent line at x = 3 is dydx

x=3 =19. Therefore, the equation of the tangent lineis

y =−1 9x + 2

3.

(4)

3. (10 points) 令 f (x) =

x2

x et2 dt

x− 1 當 x̸= 1. 試給出一個值 f(1) 使得 f 連續在 x = 1.

3.

Solution: Let g(x) =x2

x et2 dt, then g(1) = 0. By the Fundamental Theorem of Calculus,

g(x) = d dx

( ∫ x2

1

et2 dt−

x 1

et2 dt )

= 2xe(x2)2− ex2

= 2xex4 − ex2 Consider lim

x→1f (x) = lim

x→1

g(x)− g(1)

x− 1 = g(1) = e. Hence, if we define f (1) = e, then f is continuous at x = 1.

4. (10 points) 已知 f (0) = 0, f(0) = 1和 |f′′(x)| ≤ 2 對於所有 x ∈ [0, 3]. 求 f(3) 最大可 能的值.

4.

Solution: By Mean Value Theorem, for every t ∈ [0, 3], there is c ∈ (0, t) such that

|f(t)− f(0)| = |f′′(c)||t − 0| ≤ 2t.

Hence, f(t)≤ f(0) + 2t = 1 + 2t. By the Fundamental Theorem of Calculus (Type II),

f (3) = f (0) +

3

0

f(t) dt≤ 0 +

3

0

1 + 2t dt = 12 Hence, the largest possible value of f (3) is 12.

(In fact, if f (x) = x + x2, then f (3) = 12.)

(5)

5. (10 points) 試證明 1− x

1 + x < e−2x 對於所有 x∈ (0, 1).

Solution: Let f (x) = (1 + x)− (1 − x)e2x. Then f(x) = 1−[

− e2x+ 2(1− x)e2x]

= 1− (1 − 2x)e2x and

f′′(x) =−[

2e2x(1− 2x) − 2e2x]

= 2(1 + 2x)e2x.

Hence, for every x∈ (0, 1), f′′(x) > 0 and this implies that f(x) is strictly increasing on (0, 1). We have f(x) > 0 for every x∈ (0, 1) since f(0) = 0.

Again, f (x) is strictly increasing on (0, 1) and f (0) = 0. Then f (x) > 0 on (0, 1).

Therefore,

1− x

1 + x < e−2x for every x∈ (0, 1)

6. (10 points) 已知以 r 為半徑的三維球體體積為 V = 43πr3. 若以每分鐘 3 立方英吋的 速度吹入空氣於一個氣球中,試求當氣球體積為 36π 立方英吋時,其半徑 r 的改變速 度為何?

6.

Solution: When V = 4

3πr3 = 36π, the radius r is equal to 3. By chain rule, d

dtV = d dt(4

3πr3) = 4πr2dr dt. Hence,

dr dt =

dV dt

4πr2 We have

dr dt

r=3 = 3

4π· 9 = 1

12π (inch/min)

(6)

7. 已知一曲線的參數方程式為

x = cos3t y = sin3t t∈ [0,π 2].

(a) (5 points) 求出所有時間 t∈ [0,π2], 使得當一質點延此曲線軌跡運動時,此質點在 該時間有最大速度.

(a)

Solution: x(t) =−3 cos2t sin t and y(t) = 3 sin2t cos t. The speed function of the point tracing the curve is

v(t) =√[

x(t)]2

+[ y(t)]2

= 3 sin t cos t.

To find the maximum of v(t) on [0,π2], we consider

v(t) =−3 sin2t + 3 cos2t = 3 cos(2t), v′′(t) =−6 sin(2t).

Hence, v(π4) = 0 and v′′(π4) = −6 < 0. By the second derivative test, the point has a maximal speed at t = π

4. (b) (5 points) 計算此曲線的孤長

(b) Solution: The arc-length of the curve is

π

2

0

√[x(t)]2

+[ y(t)]2

dt =

π

2

0

3 sin t cos t dt = 3 2

π

2

0

sin(2t) dt = 3 2.

(c) (5 points) 計算此曲線繞 x 軸旋轉後的旋轉曲面之表面積

(c) Solution: The area of the surface rotated about x-axis is

S =

π

2

0

2πy(t)√[

x(t)]2

+[ y(t)]2

dt

= 6π

π

2

0

sin4t cos t dt (u = sin t) = 6π

1 0

u4 du

= 5

(7)

8. (10 points) 求級數

n=0

2n

n!(n + 2) 的值. (提示: 對函數 f (x) = xex 的泰勒級數做積分) 8.

Solution: Consider the Taylor expansion ex =

n=0

xn n!

Hence,

xex =

n=0

xn+1 n!

We have ∫ x

0

tet dt =

n=0

xn+2 n!(n + 2) On the other hand,

x 0

tet dt = tet x

0

x 0

et dt = xex− ex+ 1 Set x = 2 to obtain

n=0

4· 2n

n!(n + 2) = e2+ 1 and hence

n=0

2n

n!(n + 2) = e2+ 1 4

參考文獻

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