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113 政大微積分 Part A 第 4 題

考題 / 轉學考微積分 / 政大 / 微積分

113學年度 · 113微積分 · 第 4 題

題目

Problem

Question 4: [10pts] Suppose that f(x)=ex2f'(x) = e^{x^2}, and f(0)=10f(0) = 10. One can conclude from the mean value theorem that

A<f(1)<BA < f(1) < B

for which numbers AA and BB?

解答

解法一

思路

展開
  1. 本題給出導數 f(x)=ex2f'(x) = e^{x^2} 以及初始值 f(0)=10f(0) = 10,要求利用微積分中值定理 (Mean Value Theorem, MVT) 來估計 f(1)f(1) 的取值區間 (A,B)(A, B)
  2. 第一步:套用中值定理
    • 由於 f(x)=ex2f'(x) = e^{x^2} 在實數域上是處處可導且連續的,因此 ff 在閉區間 [0,1][0, 1] 上連續,在開區間 (0,1)(0, 1) 上可導。
    • 根據均值定理,在 (0,1)(0, 1) 內至少存在一點 cc(即 0<c<10 < c < 1)滿足: f(1)f(0)10=f(c)\frac{f(1) - f(0)}{1 - 0} = f'(c)
    • 將已知值代入,可得: f(1)10=ec2    f(1)=10+ec2f(1) - 10 = e^{c^2} \implies f(1) = 10 + e^{c^2}
  3. 第二步:估計 ec2e^{c^2} 的範圍
    • 由於中值點 cc 滿足 0<c<10 < c < 1,我們對不等式進行單調遞增運算: 0<c<1    0<c2<1    e0<ec2<e1    1<ec2<e0 < c < 1 \implies 0 < c^2 < 1 \implies e^0 < e^{c^2} < e^1 \implies 1 < e^{c^2} < e
  4. 第三步:求 f(1)f(1) 的上下界
    • 將不等式同加 10: 10+1<10+ec2<10+e    11<f(1)<10+e10 + 1 < 10 + e^{c^2} < 10 + e \implies 11 < f(1) < 10 + e
    • 由此可得下界 AA 與上界 BB

答題過程

展開

因為 f(x)=ex2f'(x) = e^{x^2} 對於所有實數 xx 皆存在,這代表 f(x)f(x) 是一個處處可導的函數。 因此, f(x)f(x) 必然滿足:

  1. 在閉區間 [0,1][0, 1] 上連續。
  2. 在開區間 (0,1)(0, 1) 上可導。

根據拉格朗日中值定理(Mean Value Theorem),在開區間 (0,1)(0, 1) 內至少存在一點 cc(滿足 0<c<10 < c < 1),使得:

f(1)f(0)10=f(c)\frac{f(1) - f(0)}{1 - 0} = f'(c)

我們將已知條件 f(0)=10f(0) = 10f(x)=ex2f'(x) = e^{x^2} 代入上式:

f(1)10=ec2    f(1)=10+ec2— (1)f(1) - 10 = e^{c^2} \implies f(1) = 10 + e^{c^2} \quad \text{--- (1)}

由於中值點 cc 嚴格限制在區間 (0,1)(0, 1) 內:

0<c<10 < c < 1

兩側同時平方(因為 c>0c > 0,平方運算保持不等號方向):

0<c2<10 < c^2 < 1

再以常數 e>1e > 1 為底取指數(指數函數 y=ety = e^t 為單調遞增函數,不等號方向不變):

e0<ec2<e1e^0 < e^{c^2} < e^1

即:

1<ec2<e— (2)1 < e^{c^2} < e \quad \text{--- (2)}

將不等式 (2) 的各項同時加上 1010

10+1<10+ec2<10+e    11<10+ec2<10+e10 + 1 < 10 + e^{c^2} < 10 + e \implies 11 < 10 + e^{c^2} < 10 + e

將式 (1) 代入中間項:

11<f(1)<10+e11 < f(1) < 10 + e

對照題目要求之形式 A<f(1)<BA < f(1) < B,我們可得:

A=11,B=10+eA = 11, \quad B = 10 + e

結論: 所求的常數為 A=11A = 11B=10+eB = 10 + e(或寫作 e+10e + 10)。