題目
Problem
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Sketch graph of f(x) and determine its maximum, minimum, inflection points, asymptotes if they exist:
f(x)=exp(−4(x+1)2),x∈R.
解答
解法一
思路
展開
- f(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:−4(x+1)2,當 x=−1 時指數等於 0,函數值達到最大值 1;x 愈偏離 −1,函數值愈趨近 0。
- 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。
- 漸近線:f(x)→0 當 x→±∞,故 y=0 是水平漸近線。由於 e 的指數函數在整個實數線上連續,不存在垂直漸近線。
- 二階導數的零點給出反曲點,預期兩個,且位於中心 x=−1 的左右對稱位置。
答題過程
展開
基本性質。
- 定義域:R;值域:(0,1](指數恆為非正數,故 0<f(x)≤1)。
- f(−1)=e0=1 是函數最大值;f(x)→0 當 x→±∞,沒有最小值(無法達到 0)。
- 水平漸近線:y=0(x→±∞);無垂直漸近線。
一階導數(求極值)。 用鏈鎖律:
f′(x)=e−(x+1)2/4⋅(−42(x+1))=−2x+1⋅f(x)
因為 f(x)>0,所以 f′(x) 的符號完全由 −(x+1) 決定:
- x<−1:f′(x)>0,函數遞增。
- x>−1:f′(x)<0,函數遞減。
- x=−1:f′(−1)=0,極大值(也是全域最大值)f(−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)=−2x+1f(x) 再次求導:
f′′(x)===−21f(x)+(−2x+1)f′(x)−21f(x)+(−2x+1)(−2x+1)f(x)f(x)[4(x+1)2−21]=4f(x)[(x+1)2−2]
f′′(x)=0 的條件是 (x+1)2=2,即:
x=−1±2
兩個反曲點的函數值相同:f(−1±2)=e−(±2)2/4=e−1/2。
增減凹凸總覽表。
| 區間 | f′ | f′′ | 形狀 |
|---|
| (−∞,−1−2) | + | + | 遞增、凹向上 |
| x=−1−2 | + | 0 | 反曲點,f=e−1/2 |
| (−1−2,−1) | + | − | 遞增、凹向下 |
| x=−1 | 0 | − | 極大值 f=1 |
| (−1,−1+2) | − | − | 遞減、凹向下 |
| x=−1+2 | − | 0 | 反曲點,f=e−1/2 |
| (−1+2,+∞) | − | + | 遞減、凹向上 |
結論。
- 最大值:f(−1)=1;無最小值。
- 反曲點:(−1−2,e−1/2) 和 (−1+2,e−1/2)。
- 水平漸近線:y=0;無垂直漸近線。
- 圖形為對稱於 x=−1 的鐘形曲線,頂點 (−1,1),以 y=0 為漸近線,在反曲點左右分別為凹向上與凹向下。