Skip to content
CalcGospel 微積分福音
返回

111 政治大學微積分(財政)第 9 題

考題 / 轉學考微積分 / 政大 / 微積分(財政)

111學年度 · 111微積分(財政) · 第 9 題

題目

Problem

3. Let f(x)=x2+4f(x) = x^2 + 4 and g(x)=x3+x2+3x+6g(x) = -x^3 + x^2 + 3x + 6. Then f(1)=g(1)f(-1) = g(-1) and f(2)=g(2)f(2) = g(2). Show that there is at least one value cc in the interval (1,2)(-1, 2) where the tangent line to f(x)f(x) at (c,f(c))(c, f(c)) is parallel to the tangent line to g(x)g(x) at (c,g(c))(c, g(c)).

解答

解法一

思路

展開
  1. 兩切線平行的意思是:在同一個 x=cx = c 處,ffgg 的斜率相等,亦即 f(c)=g(c)f'(c) = g'(c)。這等價於 (fg)(c)=0(f-g)'(c) = 0
  2. 題目已幫我們驗證了 f(1)=g(1)f(-1) = g(-1)f(2)=g(2)f(2) = g(2),這是一個強烈的提示——令輔助函數 F=fgF = f - g,則 FF 在區間兩端均為零,恰好滿足 Rolle 定理的端點條件。
  3. 只要確認 FF[1,2][-1,2] 上連續、在 (1,2)(-1,2) 上可微(ffgg 均為多項式,故自動滿足),就能保證存在 c(1,2)c \in (-1,2) 使得 F(c)=0F'(c) = 0,即 f(c)=g(c)f'(c) = g'(c),亦即兩切線互相平行。

答題過程

展開

建立輔助函數。

F(x)=f(x)g(x)=(x2+4)(x3+x2+3x+6)=x33x2F(x) = f(x) - g(x) = (x^2 + 4) - (-x^3 + x^2 + 3x + 6) = x^3 - 3x - 2

驗證 Rolle 定理的三個條件。

  • 連續性F(x)=x33x2F(x) = x^3 - 3x - 2 是多項式,在 [1,2][-1,2] 上連續。
  • 可微性:多項式在 (1,2)(-1,2) 上處處可微。
  • 端點條件:由題意 f(1)=g(1)f(-1) = g(-1)f(2)=g(2)f(2) = g(2),可直接得到:
F(1)=f(1)g(1)=0,F(2)=f(2)g(2)=0F(-1) = f(-1) - g(-1) = 0, \qquad F(2) = f(2) - g(2) = 0

三個條件均滿足。

應用 Rolle 定理。 存在至少一個 c(1,2)c \in (-1,2),使得

F(c)=0F'(c) = 0

亦即

f(c)g(c)=0    f(c)=g(c)f'(c) - g'(c) = 0 \implies f'(c) = g'(c)

結論。 f(c)f'(c)ff 在點 (c,f(c))(c, f(c)) 的切線斜率,g(c)g'(c)gg 在點 (c,g(c))(c, g(c)) 的切線斜率。二者相等,故兩切線互相平行。\blacksquare