与 [CJC/2013/Promo/4]

  1. (a)

    求 ln⁡(x+1)3x2−1\ln \sqrt{\frac{(x+1)^3}{x^2 - 1}} 关于 xx 的导数。

  2. (b)

    已知 y=tan⁡−1xy = \tan^{-1}\sqrt{x},求 dydx\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}。

  3. (c)

    已知 yx=xy\sqrt[x]{y} = \sqrt[y]{x},其中 x>0x > 0,y>0y > 0,求 dydx\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}。

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完整解法

1(a)

1. Simplify the argument of the logarithm and apply the laws of logarithms to expand the expression.

ln⁡(x+1)3x2−1=12ln⁡((x+1)3(x+1)(x−1))=12ln⁡((x+1)2x−1)=12[2ln⁡(x+1)−ln⁡(x−1)]=ln⁡(x+1)−12ln⁡(x−1)\begin{aligned} \ln \sqrt{\frac{(x+1)^3}{x^2 - 1}} &= \frac{1}{2} \ln \left( \frac{(x+1)^3}{(x+1)(x-1)} \right) \\[1ex] &= \frac{1}{2} \ln \left( \frac{(x+1)^2}{x-1} \right) \\[1ex] &= \frac{1}{2} [ 2\ln(x+1) - \ln(x-1) ] \\[1ex] &= \ln(x+1) - \frac{1}{2}\ln(x-1) \end{aligned}

2. Differentiate the expanded expression with respect to $x$.

ddx[ln⁡(x+1)−12ln⁡(x−1)]=1x+1−12(x−1)\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} \left[ \ln(x+1) - \frac{1}{2}\ln(x-1) \right] &= \frac{1}{x+1} - \frac{1}{2(x-1)} \end{aligned}

3. Combine the resulting terms into a single algebraic fraction.

1x+1−12(x−1)=2(x−1)−(x+1)2(x+1)(x−1)=2x−2−x−12(x2−1)=x−32(x2−1)\begin{aligned} \frac{1}{x+1} - \frac{1}{2(x-1)} &= \frac{2(x-1) - (x+1)}{2(x+1)(x-1)} \\[1ex] &= \frac{2x - 2 - x - 1}{2(x^2 - 1)} \\[1ex] &= \frac{x-3}{2(x^2-1)} \end{aligned}

答案

x−32(x2−1)\frac{x-3}{2(x^2-1)}

1(b)

1. Apply the chain rule and the standard derivative of the inverse tangent function.

dydx=11+(x)2⋅ddx(x)\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} = \frac{1}{1 + (\sqrt{x})^2} \cdot \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}(\sqrt{x})

2. Evaluate the derivative of $\sqrt{x}$ and simplify the final expression.

ddx(x)=12x−12=12x\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}(\sqrt{x}) = \frac{1}{2}x^{-\frac{1}{2}} = \frac{1}{2\sqrt{x}}

dydx=11+x⋅12x\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} = \frac{1}{1 + x} \cdot \frac{1}{2\sqrt{x}}

dydx=12x(1+x)\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} = \frac{1}{2\sqrt{x}(1 + x)}

答案

12x(1+x)\frac{1}{2\sqrt{x}(1 + x)}

1(c)

1. Express the relation using fractional indices, take the natural logarithm on both sides, and simplify.

y1x=x1yy^{\frac{1}{x}} = x^{\frac{1}{y}}
ln⁡(y1x)=ln⁡(x1y)\ln\left(y^{\frac{1}{x}}\right) = \ln\left(x^{\frac{1}{y}}\right)
1xln⁡y=1yln⁡x\frac{1}{x} \ln y = \frac{1}{y} \ln x
yln⁡y=xln⁡xy \ln y = x \ln x

2. Differentiate implicitly with respect to $x$ using the product rule.

ddx(yln⁡y)=ddx(xln⁡x)\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}(y \ln y) = \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}(x \ln x)
dydxln⁡y+y(1ydydx)=1⋅ln⁡x+x(1x)\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} \ln y + y \left( \frac{1}{y} \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} \right) = 1 \cdot \ln x + x \left( \frac{1}{x} \right)
dydxln⁡y+dydx=ln⁡x+1\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} \ln y + \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} = \ln x + 1

3. Factorise and isolate $\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}$ to find the final derivative.

dydx(ln⁡y+1)=ln⁡x+1\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}(\ln y + 1) = \ln x + 1
dydx=ln⁡x+1ln⁡y+1\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} = \frac{\ln x + 1}{\ln y + 1}

答案

ln⁡x+1ln⁡y+1\frac{\ln x + 1}{\ln y + 1}

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