題目
Problem
12. Sketch the graph of the function f ( x ) = x 2 / 3 ( 12 − x ) 1 / 3 f(x) = x^{2/3}(12 - x)^{1/3} f ( 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 ) = x 2 / 3 ( 12 − x ) 1 / 3 f(x) = x^{2/3}(12-x)^{1/3} f ( x ) = x 2/3 ( 12 − x ) 1/3 的圖形。
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} R 。
檢驗斜漸近線 y = m x + b y = mx + b y = m x + b (當 x → ± ∞ x \to \pm\infty x → ± ∞ ):
m = lim x → ± ∞ f ( x ) x = lim x → ± ∞ ( 12 − x x ) 1 / 3 = − 1 m = \lim_{x\to\pm\infty} \frac{f(x)}{x} = \lim_{x\to\pm\infty} \left( \frac{12-x}{x} \right)^{1/3} = -1 m = lim x → ± ∞ x f ( x ) = lim x → ± ∞ ( x 12 − x ) 1/3 = − 1 。
b = lim x → ± ∞ [ f ( x ) + x ] = 4 b = \lim_{x\to\pm\infty} [f(x) + x] = 4 b = lim x → ± ∞ [ 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 + 4 y = -x + 4 y = − x + 4 。
第二步:求一階導數以分析單調性與極值 :
f ′ ( x ) = 8 − x x 1 / 3 ( 12 − x ) 2 / 3 f'(x) = \frac{8-x}{x^{1/3}(12-x)^{2/3}} f ′ ( x ) = x 1/3 ( 12 − x ) 2/3 8 − x 。
臨界點(導數為 0 或不存在): x = 0 , 8 , 12 x = 0, 8, 12 x = 0 , 8 , 12 。
判斷變號:
x < 0 ⟹ f ′ ( x ) < 0 x < 0 \implies f'(x) < 0 x < 0 ⟹ f ′ ( x ) < 0 (遞減)。
0 < x < 8 ⟹ f ′ ( x ) > 0 0 < x < 8 \implies f'(x) > 0 0 < x < 8 ⟹ f ′ ( x ) > 0 (遞增)。
8 < x < 12 ⟹ f ′ ( x ) < 0 8 < x < 12 \implies f'(x) < 0 8 < x < 12 ⟹ f ′ ( x ) < 0 (遞減)。
x > 12 ⟹ f ′ ( x ) < 0 x > 12 \implies f'(x) < 0 x > 12 ⟹ f ′ ( x ) < 0 (遞減)。
相對極小值點: ( 0 , 0 ) (0, 0) ( 0 , 0 ) ,相對極大值點: ( 8 , 2 8 / 3 ) = ( 8 , 4 4 3 ) (8, 2^{8/3}) = (8, 4\sqrt[3]{4}) ( 8 , 2 8/3 ) = ( 8 , 4 3 4 ) 。
第三步:求二階導數以分析凹凸性與反曲點 :
f ′ ′ ( x ) = − 32 x 4 / 3 ( 12 − x ) 5 / 3 f''(x) = -\frac{32}{x^{4/3}(12-x)^{5/3}} f ′′ ( x ) = − x 4/3 ( 12 − x ) 5/3 32 。
二階臨界點(變號點): x = 0 , 12 x = 0, 12 x = 0 , 12 。
判斷變號:
x < 0 ⟹ f ′ ′ ( x ) < 0 x < 0 \implies f''(x) < 0 x < 0 ⟹ f ′′ ( x ) < 0 (凹向下 ∩ \cap ∩ )。
0 < x < 12 ⟹ f ′ ′ ( x ) < 0 0 < x < 12 \implies f''(x) < 0 0 < x < 12 ⟹ f ′′ ( x ) < 0 (凹向下 ∩ \cap ∩ )。
x > 12 ⟹ f ′ ′ ( x ) > 0 x > 12 \implies f''(x) > 0 x > 12 ⟹ f ′′ ( x ) > 0 (凹向上 ∪ \cup ∪ )。
反曲點為 ( 12 , 0 ) (12, 0) ( 12 , 0 ) 。
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 ) = x 2 / 3 ( 12 − x ) 1 / 3 f(x) = x^{2/3}(12 - x)^{1/3} f ( x ) = x 2/3 ( 12 − x ) 1/3 進行系統性分析:
(a) 漸近線分析 (Asymptotes)
垂直漸近線 :由於 f ( x ) f(x) f ( x ) 在整個實數域 R \mathbb{R} R 上皆連續,故無垂直漸近線 。
斜漸近線 y = m x + b y = mx + b y = m x + b :
我們計算當 x → ± ∞ x \to \pm\infty x → ± ∞ 時的斜率 m m m :
m = lim x → ± ∞ f ( x ) x = lim x → ± ∞ x 2 / 3 ( 12 − x ) 1 / 3 x = lim x → ± ∞ ( 12 − x x ) 1 / 3 = − 1 m = \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 m = x → ± ∞ lim x f ( x ) = x → ± ∞ lim x x 2/3 ( 12 − x ) 1/3 = x → ± ∞ lim ( x 12 − x ) 1/3 = − 1
接著計算截距 b b b :
b = lim x → ± ∞ [ f ( x ) − m x ] = lim x → ± ∞ [ x 2 / 3 ( 12 − x ) 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] b = x → ± ∞ lim [ f ( x ) − m x ] = x → ± ∞ lim [ x 2/3 ( 12 − x ) 1/3 + x ]
我們令 t = 1 x → 0 t = \frac{1}{x} \to 0 t = x 1 → 0 :
b = lim t → 0 ( 12 t − 1 ) 1 / 3 + 1 t b = \lim_{t \to 0} \frac{(12t - 1)^{1/3} + 1}{t} b = t → 0 lim t ( 12 t − 1 ) 1/3 + 1
此為 0 0 \frac{0}{0} 0 0 型,套用羅必達法則:
b = L.H. lim t → 0 1 3 ( 12 t − 1 ) − 2 / 3 ⋅ 12 1 = 4 ( − 1 ) − 2 / 3 = 4 b \stackrel{\text{L.H.}}{=} \lim_{t \to 0} \frac{\frac{1}{3}(12t - 1)^{-2/3} \cdot 12}{1} = 4(-1)^{-2/3} = 4 b = L.H. t → 0 lim 1 3 1 ( 12 t − 1 ) − 2/3 ⋅ 12 = 4 ( − 1 ) − 2/3 = 4
因此,當 x → ± ∞ x \to \pm\infty x → ± ∞ 時,曲線具有斜漸近線 :
y = − x + 4 y = -x + 4 y = − 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 ) = 2 3 x − 1 / 3 ( 12 − x ) 1 / 3 + x 2 / 3 ⋅ 1 3 ( 12 − x ) − 2 / 3 ⋅ ( − 1 ) = 2 ( 12 − x ) − x 3 x 1 / 3 ( 12 − x ) 2 / 3 = 24 − 3 x 3 x 1 / 3 ( 12 − x ) 2 / 3 = 8 − x x 1 / 3 ( 12 − x ) 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*} f ′ ( x ) = = 3 2 x − 1/3 ( 12 − x ) 1/3 + x 2/3 ⋅ 3 1 ( 12 − x ) − 2/3 ⋅ ( − 1 ) 3 x 1/3 ( 12 − x ) 2/3 2 ( 12 − x ) − x = 3 x 1/3 ( 12 − x ) 2/3 24 − 3 x = x 1/3 ( 12 − x ) 2/3 8 − x
我們尋找臨界點(使 f ′ ( x ) = 0 f'(x) = 0 f ′ ( x ) = 0 或使 f ′ ( x ) f'(x) f ′ ( x ) 不存在之處):
f ′ ( x ) = 0 ⟹ x = 8 f'(x) = 0 \implies x = 8 f ′ ( x ) = 0 ⟹ x = 8
f ′ ( x ) f'(x) f ′ ( x ) 不存在 ⟹ x = 0 \implies x = 0 ⟹ x = 0 且 x = 12 x = 12 x = 12
我們列出一階導數正負號的分析表:
區間 ( − ∞ , 0 ) (-\infty, 0) ( − ∞ , 0 ) 0 0 0 ( 0 , 8 ) (0, 8) ( 0 , 8 ) 8 8 8 ( 8 , 12 ) (8, 12) ( 8 , 12 ) 12 12 12 ( 12 , ∞ ) (12, \infty) ( 12 , ∞ ) f ′ ( x ) f'(x) f ′ ( x ) − - − 不存在 + + + 0 0 0 − - − 不存在 − - − f ( x ) 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) ( 0 , 8 )
遞減區間 為: ( − ∞ , 0 ) (-\infty, 0) ( − ∞ , 0 ) 與 ( 8 , ∞ ) (8, \infty) ( 8 , ∞ )
局部極值 :
在 x = 0 x = 0 x = 0 處取得局部極小值 ( 0 , 0 ) (0, 0) ( 0 , 0 ) (注意:此處有一尖點,斜率為無窮大)。
在 x = 8 x = 8 x = 8 處取得局部極大值 ( 8 , 2 8 / 3 ) = ( 8 , 4 4 3 ) (8, 2^{8/3}) = (8, 4\sqrt[3]{4}) ( 8 , 2 8/3 ) = ( 8 , 4 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 ) = d d x [ ( 8 − x ) x − 1 / 3 ( 12 − x ) − 2 / 3 ] = − 32 x 4 / 3 ( 12 − x ) 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*} f ′′ ( x ) = = d x d [ ( 8 − x ) x − 1/3 ( 12 − x ) − 2/3 ] x 4/3 ( 12 − x ) 5/3 − 32
我們尋找二階導數為 0 0 0 或不存在之處:
f ′ ′ ( x ) = 0 f''(x) = 0 f ′′ ( x ) = 0 沒有實數解。
f ′ ′ ( x ) f''(x) f ′′ ( x ) 不存在 ⟹ x = 0 \implies x = 0 ⟹ x = 0 且 x = 12 x = 12 x = 12 。
我們分析二階導數的符號(凹凸性):
當 x < 0 x < 0 x < 0 時, x 4 / 3 > 0 x^{4/3} > 0 x 4/3 > 0 且 ( 12 − x ) 5 / 3 > 0 ⟹ f ′ ′ ( x ) < 0 (12 - x)^{5/3} > 0 \implies f''(x) < 0 ( 12 − x ) 5/3 > 0 ⟹ f ′′ ( x ) < 0 (凹向下 ∩ \cap ∩ )。
當 0 < x < 12 0 < x < 12 0 < x < 12 時, x 4 / 3 > 0 x^{4/3} > 0 x 4/3 > 0 且 ( 12 − x ) 5 / 3 > 0 ⟹ f ′ ′ ( x ) < 0 (12 - x)^{5/3} > 0 \implies f''(x) < 0 ( 12 − x ) 5/3 > 0 ⟹ f ′′ ( x ) < 0 (凹向下 ∩ \cap ∩ )。
當 x > 12 x > 12 x > 12 時, x 4 / 3 > 0 x^{4/3} > 0 x 4/3 > 0 且 ( 12 − x ) 5 / 3 < 0 ⟹ f ′ ′ ( x ) > 0 (12 - x)^{5/3} < 0 \implies f''(x) > 0 ( 12 − x ) 5/3 < 0 ⟹ f ′′ ( x ) > 0 (凹向上 ∪ \cup ∪ )。
因此:
凹向下區間 為: ( − ∞ , 0 ) (-\infty, 0) ( − ∞ , 0 ) 與 ( 0 , 12 ) (0, 12) ( 0 , 12 ) 。
凹向上區間 為: ( 12 , ∞ ) (12, \infty) ( 12 , ∞ ) 。
反曲點 (Inflection point) :由於凹凸性在 x = 12 x = 12 x = 12 處由下凹轉為上凹,故反曲點為 ( 12 , 0 ) (12, 0) ( 12 , 0 ) 。
(注意: x = 0 x = 0 x = 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:
函數圖形穿過原點 ( 0 , 0 ) (0, 0) ( 0 , 0 ) ,此處為局部極小值與尖點(垂直切線)。
在第一象限內,曲線上升至最大值點 ( 8 , 4 4 3 ) ≈ ( 8 , 6.35 ) (8, 4\sqrt[3]{4}) \approx (8, 6.35) ( 8 , 4 3 4 ) ≈ ( 8 , 6.35 ) ,隨後下降穿過點 ( 12 , 0 ) (12, 0) ( 12 , 0 ) (此點為反曲點)。
當 x → ± ∞ x \to \pm\infty x → ± ∞ 時,曲線無限趨近於斜漸近線 y = − x + 4 y = -x + 4 y = − x + 4 。
(手動繪圖引導:請繪製一條包含 ( 0 , 0 ) (0,0) ( 0 , 0 ) 尖角,在 ( 8 , 6.35 ) (8, 6.35) ( 8 , 6.35 ) 處有平滑波峰,且在大於 12 12 12 後漸漸靠近直線 y = − x + 4 y = -x+4 y = − x + 4 的平滑曲線。)