題目
Problem
4. Suppose f(x) is differentiable for all real numbers. If −1≤f′(x)≤3 and f(5)=4. What is the largest value f(x) can be at x=1? (10%)
解答
求解過程
展開
- 前提檢驗:
因為給定 f(x) 在全實數範圍內均可導(differentiable),這說明 f(x) 在閉區間 [1,5] 上連續,且在開區間 (1,5) 內可導。
- 套用拉格朗日均值定理 (Mean Value Theorem):
根據均值定理,必定存在某個實數 c∈(1,5),使得:
5−1f(5)−f(1)=f′(c)
- 整理得到 f(1) 的表達式:
將 f(5)=4 代入上式:
44−f(1)=f′(c)⟹4−f(1)=4f′(c)⟹f(1)=4−4f′(c)— (1)
- 求 f(1) 的最大值:
為了讓 f(1)=4−4f′(c) 取得最大值,我們必須使減去的項 4f′(c) 取得最小值。這意味著我們需要 f′(c) 取得其可能的最小值。
已知對於所有實數 x,有:
f′(x)≥−1⟹f′(c)≥−1
乘上負數 −4(注意不等號方向改變):
−4f′(c)≤−4(−1)=4
兩邊同時加上 4:
f(1)=4−4f′(c)≤4+4=8
此最大值 8 是可以達到的,例如當 f(x)=−x+9 時,此函數滿足 f′(x)=−1∈[−1,3] 且 f(5)=4,此時 f(1)=−1+9=8。
結論:
f(1) 的最大可能值為 8。