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111 政治大學微積分 第 14 題

考題 / 轉學考微積分 / 政大 / 微積分

111學年度 · 111微積分 · 第 14 題

題目

Problem

14. (10%) Show your work to get the points.(請提供計算過程說明)

Sketch graph of f(x)f(x) and determine its maximum, minimum, inflection points, asymptotes if they exist:

f(x)=exp⁡ ⁣(−(x+1)24),x∈R.f(x) = \exp\!\left(-\frac{(x+1)^2}{4}\right), \quad x \in \mathbb{R}.

解答

解法一

思路

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  1. f(x)=e−(x+1)2/4f(x) = e^{-(x+1)^2/4} 是一個鐘形曲線(Gaussian 型),和標準常態分佈的密度函數同一類型,只是中心和縮放比例不同。觀察指數部分:−(x+1)24-\dfrac{(x+1)^2}{4},當 x=−1x = -1 時指數等於 00,函數值達到最大值 11;xx 愈偏離 −1-1,函數值愈趨近 00。
  2. 分析步驟依序是:漸近線、一階導數(極值)、二階導數(反曲點),最後畫出圖形。
  3. 漸近線:f(x)→0f(x) \to 0 當 x→±∞x \to \pm\infty,故 y=0y = 0 是水平漸近線。由於 ee 的指數函數在整個實數線上連續,不存在垂直漸近線。
  4. 二階導數的零點給出反曲點,預期兩個,且位於中心 x=−1x = -1 的左右對稱位置。

答題過程

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基本性質。

  • 定義域:R\mathbb{R};值域:(0,1](0, 1](指數恆為非正數,故 0<f(x)≤10 < f(x) \le 1)。
  • f(−1)=e0=1f(-1) = e^0 = 1 是函數最大值;f(x)→0f(x) \to 0 當 x→±∞x \to \pm\infty,沒有最小值(無法達到 00)。
  • 水平漸近線:y=0y = 0(x→±∞x \to \pm\infty);無垂直漸近線。

一階導數(求極值)。 用鏈鎖律:

f′(x)=e−(x+1)2/4⋅(−2(x+1)4)=−x+12⋅f(x)f'(x) = e^{-(x+1)^2/4}\cdot\left(-\frac{2(x+1)}{4}\right) = -\frac{x+1}{2}\cdot f(x)

因為 f(x)>0f(x) > 0,所以 f′(x)f'(x) 的符號完全由 −(x+1)-(x+1) 決定:

  • x<−1x < -1:f′(x)>0f'(x) > 0,函數遞增。
  • x>−1x > -1:f′(x)<0f'(x) < 0,函數遞減。
  • x=−1x = -1:f′(−1)=0f'(-1) = 0,極大值(也是全域最大值)f(−1)=1f(-1) = 1。

函數在整個定義域上無極小值。


二階導數(求反曲點)。 對 f′(x)=−x+12f(x)f'(x) = -\dfrac{x+1}{2}f(x) 再次求導:

f′′(x)= −12f(x)+(−x+12)f′(x)= −12f(x)+(−x+12)(−x+12)f(x)= f(x)[(x+1)24−12]=f(x)4[(x+1)2−2]\begin{align*} f''(x) =&\, -\frac{1}{2}f(x) + \left(-\frac{x+1}{2}\right)f'(x) \\[4mm] =&\, -\frac{1}{2}f(x) + \left(-\frac{x+1}{2}\right)\left(-\frac{x+1}{2}\right)f(x) \\[4mm] =&\, f(x)\left[\frac{(x+1)^2}{4} - \frac{1}{2}\right] = \frac{f(x)}{4}\big[(x+1)^2 - 2\big] \end{align*}

f′′(x)=0f''(x) = 0 的條件是 (x+1)2=2(x+1)^2 = 2,即:

x=−1±2x = -1 \pm \sqrt{2}

兩個反曲點的函數值相同:f(−1±2)=e−(±2)2/4=e−1/2f(-1\pm\sqrt{2}) = e^{-(\pm\sqrt{2})^2/4} = e^{-1/2}。


增減凹凸總覽表。

區間f′f'f′′f''形狀
(−∞, −1−2)(-\infty,\,-1-\sqrt{2})++++遞增、凹向上
x=−1−2x = -1-\sqrt{2}++00反曲點,f=e−1/2f = e^{-1/2}
(−1−2, −1)(-1-\sqrt{2},\,-1)++−-遞增、凹向下
x=−1x = -100−-極大值 f=1f = 1
(−1, −1+2)(-1,\,-1+\sqrt{2})−-−-遞減、凹向下
x=−1+2x = -1+\sqrt{2}−-00反曲點,f=e−1/2f = e^{-1/2}
(−1+2, +∞)(-1+\sqrt{2},\,+\infty)−-++遞減、凹向上

結論。

  • 最大值:f(−1)=1f(-1) = 1;無最小值。
  • 反曲點:(−1−2, e−1/2)\left(-1-\sqrt{2},\, e^{-1/2}\right) 和 (−1+2, e−1/2)\left(-1+\sqrt{2},\, e^{-1/2}\right)。
  • 水平漸近線:y=0y = 0;無垂直漸近線。
  • 圖形為對稱於 x=−1x = -1 的鐘形曲線,頂點 (−1,1)(-1, 1),以 y=0y = 0 為漸近線,在反曲點左右分別為凹向上與凹向下。