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112 台灣大學微積分(C) 第 4 題

考題 / 轉學考微積分 / 台灣大學 / 微積分C

112學年度 · 112台大微積分C · 第 4 題

題目

Problem

4. Suppose that f(u)>0f(u) > 0. Let

F(x)=0x24tf(u)dudt.F(x) = \int_0^{x^2} \int_4^t f(u) \,\mathrm{d}u \mathrm{d}t \,.

On what intervals is F(x)F(x) increasing? (5)\underline{\quad (5) \quad}

解答

解法一

思路

展開
  1. 本題要求函數 F(x)=0x2(4tf(u)du)dtF(x) = \int_0^{x^2} \left( \int_4^t f(u)\,\mathrm{d}u \right) \mathrm{d}t 的遞增區間。
  2. 函數 F(x)F(x) 遞增的條件為一階導數 F(x)>0F'(x) > 0
  3. 第一步:使用萊布尼茲法則求一階導函數 F(x)F'(x)
    • 定義內層積函數為 G(t)=4tf(u)duG(t) = \int_4^t f(u)\,\mathrm{d}u
    • F(x)=0x2G(t)dtF(x) = \int_0^{x^2} G(t)\,\mathrm{d}t
    • 求導得: F(x)=G(x2)ddx(x2)=2x4x2f(u)duF'(x) = G(x^2) \cdot \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}(x^2) = 2x \int_4^{x^2} f(u)\,\mathrm{d}u
  4. 第二步:分析不等式 2x4x2f(u)du>02x \int_4^{x^2} f(u)\,\mathrm{d}u > 0
    • 由於對所有 uu 都有 f(u)>0f(u) > 0
      • x2>4x^2 > 4 時, 4x2f(u)du>0\int_4^{x^2} f(u)\,\mathrm{d}u > 0
      • x2<4x^2 < 4 時, 4x2f(u)du<0\int_4^{x^2} f(u)\,\mathrm{d}u < 0
    • 分成兩種乘積為正的情況討論:
      • 情況一: 2x>02x > 04x2f(u)du>0    x>0\int_4^{x^2} f(u)\,\mathrm{d}u > 0 \implies x > 0x2>4    x>2x^2 > 4 \implies x > 2
      • 情況二: 2x<02x < 04x2f(u)du<0    x<0\int_4^{x^2} f(u)\,\mathrm{d}u < 0 \implies x < 0x2<4    2<x<0x^2 < 4 \implies -2 < x < 0

答題過程

展開

函數 F(x)F(x) 的單調遞增區間滿足一階導函數大於零,即 F(x)>0F'(x) > 0

我們對其使用微積分基本定理與連鎖律求導。設 G(t)=4tf(u)duG(t) = \int_4^t f(u)\,\mathrm{d}u,則 F(x)=0x2G(t)dtF(x) = \int_0^{x^2} G(t)\,\mathrm{d}t

F(x)=G(x2)ddx(x2)=(4x2f(u)du)2x=2x4x2f(u)duF'(x) = G\left(x^2\right) \cdot \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left(x^2\right) = \left( \int_4^{x^2} f(u)\,\mathrm{d}u \right) \cdot 2x = 2x \int_4^{x^2} f(u)\,\mathrm{d}u

我們需要求解不等式:

2x4x2f(u)du>02x \int_4^{x^2} f(u) \,\mathrm{d}u > 0

由於已知 f(u)>0f(u) > 0 恆成立,定積分的符號完全取決於上下限的大小關係:

  • x2>4x^2 > 4 (即 x>2x > 2x<2x < -2)時,積分區間為正向     4x2f(u)du>0\implies \int_4^{x^2} f(u)\,\mathrm{d}u > 0
  • x2<4x^2 < 4 (即 2<x<2-2 < x < 2)時,積分區間為逆向     4x2f(u)du<0\implies \int_4^{x^2} f(u)\,\mathrm{d}u < 0

現在我們分兩種情況使乘積為正:

  1. 第一種情況

    {2x>04x2f(u)du>0    {x>0x2>4    x>2\begin{cases} 2x > 0 \\ \int_4^{x^2} f(u)\,\mathrm{d}u > 0 \end{cases} \implies \begin{cases} x > 0 \\ x^2 > 4 \end{cases} \implies x > 2
  2. 第二種情況

    {2x<04x2f(u)du<0    {x<0x2<4    2<x<0\begin{cases} 2x < 0 \\ \int_4^{x^2} f(u)\,\mathrm{d}u < 0 \end{cases} \implies \begin{cases} x < 0 \\ x^2 < 4 \end{cases} \implies -2 < x < 0

綜合以上,當 x>2x > 22<x<0-2 < x < 0 時,一階導數恆正。

結論: (5) 處應填入 (2,0)(2,)(-2, 0) \cup (2, \infty) (或 x>2x > 22<x<0-2 < x < 0)。