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Calculus · real student question

微分並化簡結果:g(x) = e^x · ln(x² + 1) / (√(sin x) + 2)。

Question

微分並化簡結果:

g(x)=exln⁡(x2+1)sin⁡x+2g(x)=\frac{e^{x}\ln\left(x^{2}+1\right)}{\sqrt{\sin x}+2}

Step-by-step solution

  1. 先看清結構,再動手微分。 這是一個商,分子本身是乘積,分母裡又藏著一次連鎖律。先替每一塊命名,記帳才不會亂:

    g(x)=u(x)v(x),u(x)=exln⁡(x2+1),v(x)=sin⁡x+2g(x)=\frac{u(x)}{v(x)},\qquad u(x)=e^{x}\ln\left(x^{2}+1\right),\qquad v(x)=\sqrt{\sin x}+2

    最外層要用的工具是除法律

    g′(x)=u′(x)v(x)−u(x)v′(x)[v(x)]2g'(x)=\frac{u'(x)v(x)-u(x)v'(x)}{\left[v(x)\right]^{2}}

  2. 用乘法律加上內部的連鎖律微分分子。 由 (ex)′=ex\left(e^{x}\right)'=e^{x} 以及 (ln⁡(x2+1))′=2xx2+1\left(\ln\left(x^{2}+1\right)\right)'=\dfrac{2x}{x^{2}+1}(對 x2+1x^{2}+1 的 ln⁡\ln 用連鎖律):

    u′(x)=exln⁡(x2+1)+ex⋅2xx2+1=ex(ln⁡(x2+1)+2xx2+1)u'(x)=e^{x}\ln\left(x^{2}+1\right)+e^{x}\cdot\frac{2x}{x^{2}+1}=e^{x}\left(\ln\left(x^{2}+1\right)+\frac{2x}{x^{2}+1}\right)

    一開始就把 exe^{x} 提出來,後面的代數會短很多。

  3. 微分分母。 把 sin⁡x=(sin⁡x)1/2\sqrt{\sin x}=\left(\sin x\right)^{1/2} 寫出來再用連鎖律;常數 22 什麼也不貢獻:

    v′(x)=12(sin⁡x)−1/2cos⁡x=cos⁡x2sin⁡xv'(x)=\frac{1}{2}\left(\sin x\right)^{-1/2}\cos x=\frac{\cos x}{2\sqrt{\sin x}}

  4. 組合成除法律。 把四塊代進去:

    g′(x)=ex(ln⁡(x2+1)+2xx2+1)(sin⁡x+2)−exln⁡(x2+1)⋅cos⁡x2sin⁡x(sin⁡x+2)2g'(x)=\frac{e^{x}\left(\ln\left(x^{2}+1\right)+\dfrac{2x}{x^{2}+1}\right)\left(\sqrt{\sin x}+2\right)-e^{x}\ln\left(x^{2}+1\right)\cdot\dfrac{\cos x}{2\sqrt{\sin x}}}{\left(\sqrt{\sin x}+2\right)^{2}}

  5. 提出共同的 exe^{x} 來化簡。 分子的兩項都帶著 exe^{x},所以把它提出來:

    g′(x)=ex[(ln⁡(x2+1)+2xx2+1)(sin⁡x+2)−ln⁡(x2+1)cos⁡x2sin⁡x](sin⁡x+2)2g'(x)=\frac{e^{x}\left[\left(\ln\left(x^{2}+1\right)+\dfrac{2x}{x^{2}+1}\right)\left(\sqrt{\sin x}+2\right)-\dfrac{\ln\left(x^{2}+1\right)\cos x}{2\sqrt{\sin x}}\right]}{\left(\sqrt{\sin x}+2\right)^{2}}

    再沒有可以約掉的東西了,因為對數與根式沒有共同的因式。

  6. 注意定義域,並做數值檢查。 這個公式需要 sin⁡x>0\sin x>0 —— 必須嚴格為正,而不只是非負,因為微分之後 sin⁡x\sqrt{\sin x} 會落在分母上 —— 所以 x∈(2kπ,(2k+1)π)x\in(2k\pi,(2k+1)\pi)。在 x=0.5,1,2,2.9x=0.5,1,2,2.9 處,把公式與取 h=10−6h=10^{-6} 的 gg 中央差分相比,兩者都給出 0.59436970.5943697、1.51243251.5124325、6.32524116.3252411 與 27.395139227.3951392,吻合到七位有效數字。

Answer

g′(x)=ex[(ln⁡(x2+1)+2xx2+1)(sin⁡x+2)−ln⁡(x2+1)cos⁡x2sin⁡x](sin⁡x+2)2g'(x)=\frac{e^{x}\left[\left(\ln\left(x^{2}+1\right)+\frac{2x}{x^{2}+1}\right)\left(\sqrt{\sin x}+2\right)-\frac{\ln\left(x^{2}+1\right)\cos x}{2\sqrt{\sin x}}\right]}{\left(\sqrt{\sin x}+2\right)^{2}}

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