第二章随堂测验答案解析#
设函数 \(f(x) = \sqrt{x + \sqrt{x + \sqrt{x}}}\), 求它的导函数 \(f'(x)\).
由复合函数求导的链式法则可得
设函数 \(f(x)\) 可微且函数值大于 \(0\). 令 \(g(x) = \ln f(\sin^2 x)\), 求函数 \(g(x)\) 的微分.
令 \(y(t) = \left( \dfrac{1}{t + 1} \right)^{\frac{1}{t}}\).
(1). 求 \(\lim\limits_{t \to 0} y(t)\) 以及 \(\lim\limits_{t \to 0} y'(t)\).
(2). 求极限 \(\lim\limits_{x \to \infty} x \left( \dfrac{1}{e} - \left( \dfrac{x}{x + 1} \right)^x \right)\).
提示: 利用带佩亚诺型余项的麦克劳林公式
\[\begin{split}& \dfrac{1}{1 - t} = 1 + t + t^2 + o(t^2), \\ & \ln (1 + t) = t - \dfrac{t^2}{2} + o(t^2).\end{split}\]
(1). \(\lim\limits_{t \to 0} y(t) = \lim\limits_{t \to 0} \dfrac{1}{(t + 1)^{\frac{1}{t}}} = \dfrac{1}{e}\).
对 \(\ln y(t) = - \dfrac{\ln (t + 1)}{t}\) 两边求导可得
利用带佩亚诺型余项的麦克劳林公式
可得
于是, \(\lim\limits_{t \to 0} \dfrac{y'(t)}{y(t)} = \dfrac{1}{2}\), 从而有 \(\lim\limits_{t \to 0} y'(t) = \dfrac{1}{2e}\).
(2). 由于
所以 \(x \left( \dfrac{1}{e} - \left( \dfrac{x}{x + 1} \right)^x \right)\) 是一个 \(\infty \cdot 0\) 型的不定式 (\(x \to \infty\)). 令 \(t = \dfrac{1}{x}\), 则
化为了 \(\dfrac{0}{0}\) 型的不定式. 对上式利用洛必达法则可得
因此, \(\lim\limits_{x \to \infty} x \left( \dfrac{1}{e} - \left( \dfrac{x}{x + 1} \right)^x \right) = - \dfrac{1}{2e}\).
设 \(0 < a < b\), 证明存在 \(\xi \in (a, b)\), 使得
\[a e^b - b e^a = (a - b) (1 - \xi)e^\xi.\]提示: 两边同时除以 \(ab\), 构造辅助函数, 并在区间 \(\left[ \dfrac{1}{b}, \dfrac{1}{a} \right]\) 上利用拉格朗日中值定理.
对 \(a e^b - b e^a = (a - b) (1 - \xi)e^\xi\) 两边同时除以 \(ab\) 可得
考虑函数 \(f(x) = x e^{\frac{1}{x}}\), 则 \(f'(x) = e^{\frac{1}{x}} \left(1 - \dfrac{1}{x}\right)\), 由拉格朗日中值定理可得, 存在 \(\tau \in \left( \dfrac{1}{b}, \dfrac{1}{a} \right)\), 使得
令 \(\xi = \dfrac{1}{\tau}\), 则 \(\xi \in (a, b)\), 且
上式两边同时乘以 \(ab\) 即可得到题目要证明的结论:
备注
另一种方法: 令 \(f(x) = \dfrac{e^x}{x}, g(x) = \dfrac{1}{x}\), 那么有
\(f(x), g(x)\) 在闭区间 \([a, b]\) 上连续, 且在开区间 \((a, b)\) 上可导, 且 \(g(x) = \dfrac{1}{x}\) 在闭区间 \([a, b]\) 上恒不为零, 那么根据柯西中值定理可知, 存在 \(\xi \in (a, b)\), 使得
代入 \(f'(x), g'(x)\) 的表达式可得
求函数 \(y = x^{1/x}, x > 0\) 的极大值.
对 \(y = x^{1/x}, x > 0\) 两边同时取对数可得
令 \(f(x) = \dfrac{\ln x}{x}\), 则 \(f'(x) = \dfrac{1 - \ln x}{x^2}\). 令 \(f'(x) = 0\) 解得 \(x = e\). 由于 \(f''(x) = \dfrac{2 \ln x - 3}{x^3}\), 可得
所以 \(x = e\) 是极大值点, \(y = e^{1 / e}\) 是相应的极大值.
备注
函数 \(y = x^{1/x}, x > 0\) 的图像如下图所示
函数 \(y = x^{1/x}, x > 0\) 的图像