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113 政大微積分 Part A 第 3 題

考題 / 轉學考微積分 / 政大 / 微積分

113學年度 · 113微積分 · 第 3 題

題目

Problem

Question 3: [10pts] Find all local maxima and minima of the function f(x)=2xx21f(x) = 2|x| - x^2 - 1.

解答

解法一

思路

展開
  1. 本題要求尋找實數域上函數 f(x)=2xx21f(x) = 2|x| - x^2 - 1 的所有局部極大值與局部極小值。
  2. 因為函數包含絕對值 x|x|,我們最好將其寫為分段函數以消除絕對值: f(x)={2xx21if x<02xx21if x0f(x) = \begin{cases} -2x - x^2 - 1 & \text{if } x < 0 \\ 2x - x^2 - 1 & \text{if } x \ge 0 \end{cases}
  3. 第一步:尋找臨界點 (Critical Points)
    • 臨界點是指使一階導數 f(x)=0f'(x) = 0 或使 f(x)f'(x) 不存在的點。
    • x<0x < 0 時: f(x)=22x=0    x=1f'(x) = -2 - 2x = 0 \implies x = -1
    • x>0x > 0 時: f(x)=22x=0    x=1f'(x) = 2 - 2x = 0 \implies x = 1
    • 在分段交界處 x=0x = 0,由於左極限 f(0)=2f'_-(0) = -2,右極限 f+(0)=2f'_+(0) = 2,兩側導數不相等,故 f(0)f'(0) 不存在。
    • 綜上,臨界點為 x=1,0,1x = -1, 0, 1
  4. 第二步:利用一階導數判定法分析單調性
    • 在區間 (,1)(-\infty, -1) 內, f(x)>0    ff'(x) > 0 \implies f 遞增。
    • 在區間 (1,0)(-1, 0) 內, f(x)<0    ff'(x) < 0 \implies f 遞減。
    • 在區間 (0,1)(0, 1) 內, f(x)>0    ff'(x) > 0 \implies f 遞增。
    • 在區間 (1,)(1, \infty) 內, f(x)<0    ff'(x) < 0 \implies f 遞減。
  5. 第三步:判斷極值點並計算極值

答題過程

展開

第一步:去絕對值寫成分段函數

給定函數:

f(x)=2xx21f(x) = 2|x| - x^2 - 1

我們根據 xx 的正負將其展開為分段函數:

f(x)={x22x1if x<0x2+2x1if x0f(x) = \begin{cases} -x^2 - 2x - 1 & \text{if } x < 0 \\ -x^2 + 2x - 1 & \text{if } x \ge 0 \end{cases}

第二步:求導數並尋找臨界點

我們對分段函數分別關於 xx 求導:

  • x<0x < 0 時: f(x)=ddx(x22x1)=22x=2(x+1)f'(x) = \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} (-x^2 - 2x - 1) = -2 - 2x = -2(x + 1)
  • x>0x > 0 時: f(x)=ddx(x2+2x1)=22x=2(1x)f'(x) = \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} (-x^2 + 2x - 1) = 2 - 2x = 2(1 - x)

在原點 x=0x = 0 處:

  • 左導數為: f(0)=limx0f(x)=2\displaystyle f'_-(0) = \lim_{x \to 0^-} f'(x) = -2
  • 右導數為: f+(0)=limx0+f(x)=2\displaystyle f'_+(0) = \lim_{x \to 0^+} f'(x) = 2 由於左右導數不相等,因此導數 f(0)f'(0) 不存在。

我們令 f(x)=0f'(x) = 0 來尋找臨界點:

  • x<0x < 0 時, 2(x+1)=0    x=1-2(x + 1) = 0 \implies x = -1
  • x>0x > 0 時, 2(1x)=0    x=12(1 - x) = 0 \implies x = 1。 再加上導數不存在的點 x=0x = 0,我們的臨界點共有三個
x=1,x=0,x=1x = -1, \quad x = 0, \quad x = 1

第三步:單調性分析與極值判定

我們建立一階導數的正負符號表,以分析各區間的單調性:

區間x<1x < -1x=1x = -11<x<0-1 < x < 0x=0x = 00<x<10 < x < 1x=1x = 1x>1x > 1
f(x)f'(x) 的符號++00-不存在++00-
f(x)f(x) 的單調性遞增 (\nearrow)局部極大遞減 (\searrow)局部極小遞增 (\nearrow)局部極大遞減 (\searrow)

根據一階導數判定法:

  1. x=1x = -1: 一階導數符號由正變負,故 f(1)f(-1) 為局部極大值(Local Maximum): f(1)=21(1)21=211=0f(-1) = 2|-1| - (-1)^2 - 1 = 2 - 1 - 1 = 0
  2. x=0x = 0: 一階導數符號由負變正,故 f(0)f(0) 為局部極小值(Local Minimum): f(0)=20021=1f(0) = 2|0| - 0^2 - 1 = -1
  3. x=1x = 1: 一階導數符號由正變負,故 f(1)f(1) 為局部極大值(Local Maximum): f(1)=21121=211=0f(1) = 2|1| - 1^2 - 1 = 2 - 1 - 1 = 0

結論:

  • 局部極大值為 00(發生在 x=1x = -1x=1x = 1 處)。
  • 局部極小值為 1-1(發生在 x=0x = 0 處)。