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112 政治大學微積分(應數大三) 第 4 題

考題 / 轉學考微積分 / 政大 / 微積分(應數大三)

112學年度 · 112微積分應數大三 · 第 4 題

題目

Problem

4. Suppose f(x)f(x) is differentiable for all real numbers. If 1f(x)3-1 \le f'(x) \le 3 and f(5)=4f(5) = 4. What is the largest value f(x)f(x) can be at x=1x = 1? (10%)

解答

求解過程

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  1. 前提檢驗: 因為給定 f(x)f(x) 在全實數範圍內均可導(differentiable),這說明 f(x)f(x) 在閉區間 [1,5][1, 5] 上連續,且在開區間 (1,5)(1, 5) 內可導。
  2. 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)c \in (1, 5),使得: f(5)f(1)51=f(c)\frac{f(5) - f(1)}{5 - 1} = f'(c)
  3. 整理得到 f(1)f(1) 的表達式: 將 f(5)=4f(5) = 4 代入上式: 4f(1)4=f(c)    4f(1)=4f(c)    f(1)=44f(c)— (1)\frac{4 - f(1)}{4} = f'(c) \implies 4 - f(1) = 4f'(c) \implies f(1) = 4 - 4f'(c) \quad \text{--- (1)}
  4. f(1)f(1) 的最大值: 為了讓 f(1)=44f(c)f(1) = 4 - 4f'(c) 取得最大值,我們必須使減去的項 4f(c)4f'(c) 取得最小值。這意味著我們需要 f(c)f'(c) 取得其可能的最小值。 已知對於所有實數 xx,有: f(x)1    f(c)1f'(x) \ge -1 \implies f'(c) \ge -1 乘上負數 4-4(注意不等號方向改變): 4f(c)4(1)=4-4f'(c) \le -4(-1) = 4 兩邊同時加上 4: f(1)=44f(c)4+4=8f(1) = 4 - 4f'(c) \le 4 + 4 = 8

此最大值 88 是可以達到的,例如當 f(x)=x+9f(x) = -x + 9 時,此函數滿足 f(x)=1[1,3]f'(x) = -1 \in [-1, 3]f(5)=4f(5) = 4,此時 f(1)=1+9=8f(1) = -1 + 9 = 8

結論: f(1)f(1) 的最大可能值為 88