題目
Problem
Question 3: [10pts] Find all local maxima and minima of the function f(x)=2∣x∣−x2−1.
解答
解法一
思路
展開
- 本題要求尋找實數域上函數 f(x)=2∣x∣−x2−1 的所有局部極大值與局部極小值。
- 因為函數包含絕對值 ∣x∣,我們最好將其寫為分段函數以消除絕對值:
f(x)={−2x−x2−12x−x2−1if x<0if x≥0
- 第一步:尋找臨界點 (Critical Points):
- 臨界點是指使一階導數 f′(x)=0 或使 f′(x) 不存在的點。
- 當 x<0 時: f′(x)=−2−2x=0⟹x=−1。
- 當 x>0 時: f′(x)=2−2x=0⟹x=1。
- 在分段交界處 x=0,由於左極限 f−′(0)=−2,右極限 f+′(0)=2,兩側導數不相等,故 f′(0) 不存在。
- 綜上,臨界點為 x=−1,0,1。
- 第二步:利用一階導數判定法分析單調性:
- 在區間 (−∞,−1) 內, f′(x)>0⟹f 遞增。
- 在區間 (−1,0) 內, f′(x)<0⟹f 遞減。
- 在區間 (0,1) 內, f′(x)>0⟹f 遞增。
- 在區間 (1,∞) 內, f′(x)<0⟹f 遞減。
- 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)=2∣x∣−x2−1
我們根據 x 的正負將其展開為分段函數:
f(x)={−x2−2x−1−x2+2x−1if x<0if x≥0
第二步:求導數並尋找臨界點
我們對分段函數分別關於 x 求導:
- 當 x<0 時:
f′(x)=dxd(−x2−2x−1)=−2−2x=−2(x+1)
- 當 x>0 時:
f′(x)=dxd(−x2+2x−1)=2−2x=2(1−x)
在原點 x=0 處:
- 左導數為: f−′(0)=x→0−limf′(x)=−2
- 右導數為: f+′(0)=x→0+limf′(x)=2
由於左右導數不相等,因此導數 f′(0) 不存在。
我們令 f′(x)=0 來尋找臨界點:
- 當 x<0 時, −2(x+1)=0⟹x=−1。
- 當 x>0 時, 2(1−x)=0⟹x=1。
再加上導數不存在的點 x=0,我們的臨界點共有三個:
x=−1,x=0,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<−1 | x=−1 | −1<x<0 | x=0 | 0<x<1 | x=1 | x>1 |
|---|
| f′(x) 的符號 | + | 0 | − | 不存在 | + | 0 | − |
| f(x) 的單調性 | 遞增 (↗) | 局部極大 | 遞減 (↘) | 局部極小 | 遞增 (↗) | 局部極大 | 遞減 (↘) |
根據一階導數判定法:
- 在 x=−1 處:
一階導數符號由正變負,故 f(−1) 為局部極大值(Local Maximum):
f(−1)=2∣−1∣−(−1)2−1=2−1−1=0
- 在 x=0 處:
一階導數符號由負變正,故 f(0) 為局部極小值(Local Minimum):
f(0)=2∣0∣−02−1=−1
- 在 x=1 處:
一階導數符號由正變負,故 f(1) 為局部極大值(Local Maximum):
f(1)=2∣1∣−12−1=2−1−1=0
結論:
- 局部極大值為 0(發生在 x=−1 與 x=1 處)。
- 局部極小值為 −1(發生在 x=0 處)。