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112 台灣大學微積分(B) 第 12 題

考題 / 轉學考微積分 / 台灣大學 / 微積分B

112學年度 · 112台大微積分B · 第 12 題

題目

Problem

12. Sketch the graph of the function f(x)=x2/3(12x)1/3f(x) = x^{2/3}(12 - x)^{1/3}. Label the following objectives on your graph: (a) Asymptotes (b) Local extrema (points and values) (c) Intervals of increase/decrease (d) Concave up/down intervals. (15%)

解答

解法一

思路

展開

本題要求完整分析並繪製函數 f(x)=x2/3(12x)1/3f(x) = x^{2/3}(12-x)^{1/3} 的圖形。

  1. 第一步:求漸近線 (Asymptotes)
    • 沒有垂直漸近線,因為定義域為整個實數集 R\mathbb{R}
    • 檢驗斜漸近線 y=mx+by = mx + b(當 x±x \to \pm\infty):
      • m=limx±f(x)x=limx±(12xx)1/3=1m = \lim_{x\to\pm\infty} \frac{f(x)}{x} = \lim_{x\to\pm\infty} \left( \frac{12-x}{x} \right)^{1/3} = -1
      • b=limx±[f(x)+x]=4b = \lim_{x\to\pm\infty} [f(x) + x] = 4(可利用極限代換或有理化分子求得)。
      • 斜漸近線為 y=x+4y = -x + 4
  2. 第二步:求一階導數以分析單調性與極值
    • f(x)=8xx1/3(12x)2/3f'(x) = \frac{8-x}{x^{1/3}(12-x)^{2/3}}
    • 臨界點(導數為 0 或不存在): x=0,8,12x = 0, 8, 12
    • 判斷變號:
      • x<0    f(x)<0x < 0 \implies f'(x) < 0(遞減)。
      • 0<x<8    f(x)>00 < x < 8 \implies f'(x) > 0(遞增)。
      • 8<x<12    f(x)<08 < x < 12 \implies f'(x) < 0(遞減)。
      • x>12    f(x)<0x > 12 \implies f'(x) < 0(遞減)。
    • 相對極小值點: (0,0)(0, 0),相對極大值點: (8,28/3)=(8,443)(8, 2^{8/3}) = (8, 4\sqrt[3]{4})
  3. 第三步:求二階導數以分析凹凸性與反曲點
    • f(x)=32x4/3(12x)5/3f''(x) = -\frac{32}{x^{4/3}(12-x)^{5/3}}
    • 二階臨界點(變號點): x=0,12x = 0, 12
    • 判斷變號:
      • x<0    f(x)<0x < 0 \implies f''(x) < 0(凹向下 \cap)。
      • 0<x<12    f(x)<00 < x < 12 \implies f''(x) < 0(凹向下 \cap)。
      • x>12    f(x)>0x > 12 \implies f''(x) > 0(凹向上 \cup)。
    • 反曲點為 (12,0)(12, 0)
  4. 第四步:綜合以上資訊畫出圖形

答題過程

展開

我們對函數 f(x)=x2/3(12x)1/3f(x) = x^{2/3}(12 - x)^{1/3} 進行系統性分析:


(a) 漸近線分析 (Asymptotes)

  1. 垂直漸近線:由於 f(x)f(x) 在整個實數域 R\mathbb{R} 上皆連續,故無垂直漸近線
  2. 斜漸近線 y=mx+by = mx + b: 我們計算當 x±x \to \pm\infty 時的斜率 mmm=limx±f(x)x=limx±x2/3(12x)1/3x=limx±(12xx)1/3=1m = \lim_{x \to \pm\infty} \frac{f(x)}{x} = \lim_{x \to \pm\infty} \frac{x^{2/3}(12 - x)^{1/3}}{x} = \lim_{x \to \pm\infty} \left( \frac{12 - x}{x} \right)^{1/3} = -1 接著計算截距 bbb=limx±[f(x)mx]=limx±[x2/3(12x)1/3+x]b = \lim_{x \to \pm\infty} \left[ f(x) - mx \right] = \lim_{x \to \pm\infty} \left[ x^{2/3}(12 - x)^{1/3} + x \right] 我們令 t=1x0t = \frac{1}{x} \to 0b=limt0(12t1)1/3+1tb = \lim_{t \to 0} \frac{(12t - 1)^{1/3} + 1}{t} 此為 00\frac{0}{0} 型,套用羅必達法則: b=L.H.limt013(12t1)2/3121=4(1)2/3=4b \stackrel{\text{L.H.}}{=} \lim_{t \to 0} \frac{\frac{1}{3}(12t - 1)^{-2/3} \cdot 12}{1} = 4(-1)^{-2/3} = 4 因此,當 x±x \to \pm\infty 時,曲線具有斜漸近線y=x+4y = -x + 4

(b) & (c) 一階導數、單調區間與極值

我們計算一階偏導數:

f(x)=23x1/3(12x)1/3+x2/313(12x)2/3(1)=2(12x)x3x1/3(12x)2/3=243x3x1/3(12x)2/3=8xx1/3(12x)2/3\begin{align*} f'(x) =&\, \frac{2}{3}x^{-1/3}(12 - x)^{1/3} + x^{2/3} \cdot \frac{1}{3}(12 - x)^{-2/3} \cdot (-1) \\[4mm] =&\, \frac{2(12 - x) - x}{3x^{1/3}(12 - x)^{2/3}} = \frac{24 - 3x}{3x^{1/3}(12 - x)^{2/3}} = \frac{8 - x}{x^{1/3}(12 - x)^{2/3}} \end{align*}

我們尋找臨界點(使 f(x)=0f'(x) = 0 或使 f(x)f'(x) 不存在之處):

  • f(x)=0    x=8f'(x) = 0 \implies x = 8
  • f(x)f'(x) 不存在     x=0\implies x = 0x=12x = 12

我們列出一階導數正負號的分析表:

區間(,0)(-\infty, 0)00(0,8)(0, 8)88(8,12)(8, 12)1212(12,)(12, \infty)
f(x)f'(x)-不存在++00-不存在-
f(x)f(x)↘ (遞減)極小值↗ (遞增)極大值↘ (遞減)↘ (遞減)
  • 遞增區間為: (0,8)(0, 8)
  • 遞減區間為: (,0)(-\infty, 0)(8,)(8, \infty)
  • 局部極值
    • x=0x = 0 處取得局部極小值 (0,0)(0, 0)(注意:此處有一尖點,斜率為無窮大)。
    • x=8x = 8 處取得局部極大值 (8,28/3)=(8,443)(8, 2^{8/3}) = (8, 4\sqrt[3]{4})

(d) 二階導數、凹凸區間與反曲點

我們計算二階導函數:

f(x)=ddx[(8x)x1/3(12x)2/3]=32x4/3(12x)5/3\begin{align*} f''(x) =&\, \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} \left[ (8 - x) x^{-1/3} (12 - x)^{-2/3} \right] \\[4mm] =&\, \frac{-32}{x^{4/3}(12 - x)^{5/3}} \end{align*}

我們尋找二階導數為 00 或不存在之處:

  • f(x)=0f''(x) = 0 沒有實數解。
  • f(x)f''(x) 不存在     x=0\implies x = 0x=12x = 12

我們分析二階導數的符號(凹凸性):

  • x<0x < 0 時, x4/3>0x^{4/3} > 0(12x)5/3>0    f(x)<0(12 - x)^{5/3} > 0 \implies f''(x) < 0 (凹向下 \cap)。
  • 0<x<120 < x < 12 時, x4/3>0x^{4/3} > 0(12x)5/3>0    f(x)<0(12 - x)^{5/3} > 0 \implies f''(x) < 0 (凹向下 \cap)。
  • x>12x > 12 時, x4/3>0x^{4/3} > 0(12x)5/3<0    f(x)>0(12 - x)^{5/3} < 0 \implies f''(x) > 0 (凹向上 \cup)。

因此:

  • 凹向下區間為: (,0)(-\infty, 0)(0,12)(0, 12)
  • 凹向上區間為: (12,)(12, \infty)
  • 反曲點 (Inflection point):由於凹凸性在 x=12x = 12 處由下凹轉為上凹,故反曲點為 (12,0)(12, 0)(注意: x=0x = 0 兩側皆為下凹,故非反曲點。)

(e) 函數圖形描繪

綜合上述性質,我們可以畫出圖形:

  1. 函數圖形穿過原點 (0,0)(0, 0),此處為局部極小值與尖點(垂直切線)。
  2. 在第一象限內,曲線上升至最大值點 (8,443)(8,6.35)(8, 4\sqrt[3]{4}) \approx (8, 6.35),隨後下降穿過點 (12,0)(12, 0)(此點為反曲點)。
  3. x±x \to \pm\infty 時,曲線無限趨近於斜漸近線 y=x+4y = -x + 4

(手動繪圖引導:請繪製一條包含 (0,0)(0,0) 尖角,在 (8,6.35)(8, 6.35) 處有平滑波峰,且在大於 1212 後漸漸靠近直線 y=x+4y = -x+4 的平滑曲線。)