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112 台灣大學微積分(B) 第 4 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 4 題

題目

Problem

4. The graph of the function g(x)=ln⁡(x3)xg(x) = \frac{\ln(x^3)}{\sqrt{x}} has an inflection point at x=(4)‾x = \underline{\quad (4) \quad}.

解答

解法一

思路

展開
  1. 定義與化簡函數:
    • g(x)=ln⁡(x3)x=3ln⁡xx=3x−1/2ln⁡xg(x) = \frac{\ln(x^3)}{\sqrt{x}} = \frac{3\ln x}{\sqrt{x}} = 3x^{-1/2}\ln x。定義域為 x>0x > 0。
  2. 第一步:求一階導函數 g′(x)g'(x):
    • 使用乘積法則或商法則: g′(x)=3(−12x−3/2ln⁡x+x−1/2⋅1x)=3(−ln⁡x2x3/2+1x3/2)=6−3ln⁡x2x3/2g'(x) = 3\left( -\frac{1}{2}x^{-3/2}\ln x + x^{-1/2} \cdot \frac{1}{x} \right) = 3\left( -\frac{\ln x}{2x^{3/2}} + \frac{1}{x^{3/2}} \right) = \frac{6 - 3\ln x}{2x^{3/2}}
  3. 第二步:求二階導函數 g′′(x)g''(x):
    • 對 g′(x)=6−3ln⁡x2x−3/2g'(x) = \frac{6-3\ln x}{2} x^{-3/2} 再次求導: g′′(x)=ddx[6−3ln⁡x2x3/2]=−3x−1⋅2x3/2−(6−3ln⁡x)⋅3x1/24x3=3(3ln⁡x−8)4x5/2g''(x) = \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left[ \frac{6 - 3\ln x}{2x^{3/2}} \right] = \frac{-3x^{-1} \cdot 2x^{3/2} - (6 - 3\ln x) \cdot 3x^{1/2}}{4x^3} = \frac{3(3\ln x - 8)}{4x^{5/2}}
  4. 第三步:尋找反曲點:
    • 令 g′′(x)=0  ⟹  3ln⁡x−8=0  ⟹  ln⁡x=83  ⟹  x=e8/3g''(x) = 0 \implies 3\ln x - 8 = 0 \implies \ln x = \frac{8}{3} \implies x = e^{8/3}。
    • 由於 g′′(x)g''(x) 在 x=e8/3x = e^{8/3} 兩側發生正負號變號,故此處為反曲點。

答題過程

展開

首先,我們利用對數性質簡化函數 g(x)g(x)。對於定義域 x>0x > 0:

g(x)=ln⁡(x3)x=3ln⁡xx1/2g(x) = \frac{\ln\left(x^3\right)}{\sqrt{x}} = \frac{3\ln x}{x^{1/2}}

我們使用商求導法則(Quotient Rule)求一階導函數:

g′(x)= ddx(3ln⁡x)⋅x1/2−(3ln⁡x)⋅ddx(x1/2)(x1/2)2= 3x⋅x1/2−3ln⁡x⋅(12x−1/2)x= 3x−1/2−32x−1/2ln⁡xx=6−3ln⁡x2x3/2\begin{align*} g'(x) =&\, \frac{\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}(3\ln x) \cdot x^{1/2} - (3\ln x) \cdot \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left(x^{1/2}\right)}{\left(x^{1/2}\right)^2} \\[4mm] =&\, \frac{\frac{3}{x} \cdot x^{1/2} - 3\ln x \cdot \left( \frac{1}{2}x^{-1/2} \right)}{x} \\[4mm] =&\, \frac{3x^{-1/2} - \frac{3}{2}x^{-1/2}\ln x}{x} = \frac{6 - 3\ln x}{2x^{3/2}} \end{align*}

接下來,我們求二階導函數:

g′′(x)= ddx[6−3ln⁡x2x3/2]= (ddx(6−3ln⁡x))(2x3/2)−(6−3ln⁡x)(ddx(2x3/2))(2x3/2)2= (−3x)(2x3/2)−(6−3ln⁡x)(3x1/2)4x3= −6x1/2−18x1/2+9x1/2ln⁡x4x3= x1/2(9ln⁡x−24)4x3=3(3ln⁡x−8)4x5/2\begin{align*} g''(x) =&\, \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} \left[ \frac{6 - 3\ln x}{2x^{3/2}} \right] \\[4mm] =&\, \frac{\left( \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}(6 - 3\ln x) \right) \left(2x^{3/2}\right) - (6 - 3\ln x) \left( \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left(2x^{3/2}\right) \right)}{\left(2x^{3/2}\right)^2} \\[4mm] =&\, \frac{\left( -\frac{3}{x} \right) \left(2x^{3/2}\right) - (6 - 3\ln x) \left(3x^{1/2}\right)}{4x^3} \\[4mm] =&\, \frac{-6x^{1/2} - 18x^{1/2} + 9x^{1/2}\ln x}{4x^3} \\[4mm] =&\, \frac{x^{1/2}\left( 9\ln x - 24 \right)}{4x^3} = \frac{3(3\ln x - 8)}{4x^{5/2}} \end{align*}

我們令 g′′(x)=0g''(x) = 0 以尋找潛在的反曲點(Inflection Point):

3ln⁡x−8=0  ⟹  ln⁡x=83  ⟹  x=e8/33\ln x - 8 = 0 \implies \ln x = \frac{8}{3} \implies x = e^{8/3}

我們分析二階導數的符號變化:

  • 當 0<x<e8/30 < x < e^{8/3} 時, ln⁡x<83  ⟹  g′′(x)<0\ln x < \frac{8}{3} \implies g''(x) < 0 (函數呈凹向下 ∩\cap)。
  • 當 x>e8/3x > e^{8/3} 時, ln⁡x>83  ⟹  g′′(x)>0\ln x > \frac{8}{3} \implies g''(x) > 0 (函數呈凹向上 ∪\cup)。

因為二階導數在 x=e8/3x = e^{8/3} 的兩側發生變號,所以該點確實為反曲點。

結論: (4) 處應填入 e8/3e^{8/3}。