題目
Problem
Question 4: [10pts] Suppose that f′(x)=ex2, and f(0)=10. One can conclude from the mean value theorem that
A<f(1)<B
for which numbers A and B?
解答
解法一
思路
展開
- 本題給出導數 f′(x)=ex2 以及初始值 f(0)=10,要求利用微積分中值定理 (Mean Value Theorem, MVT) 來估計 f(1) 的取值區間 (A,B)。
- 第一步:套用中值定理:
- 由於 f′(x)=ex2 在實數域上是處處可導且連續的,因此 f 在閉區間 [0,1] 上連續,在開區間 (0,1) 上可導。
- 根據均值定理,在 (0,1) 內至少存在一點 c(即 0<c<1)滿足:
1−0f(1)−f(0)=f′(c)
- 將已知值代入,可得:
f(1)−10=ec2⟹f(1)=10+ec2
- 第二步:估計 ec2 的範圍:
- 由於中值點 c 滿足 0<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<e
- 第三步:求 f(1) 的上下界:
- 將不等式同加 10:
10+1<10+ec2<10+e⟹11<f(1)<10+e
- 由此可得下界 A 與上界 B。
答題過程
展開
因為 f′(x)=ex2 對於所有實數 x 皆存在,這代表 f(x) 是一個處處可導的函數。
因此, f(x) 必然滿足:
- 在閉區間 [0,1] 上連續。
- 在開區間 (0,1) 上可導。
根據拉格朗日中值定理(Mean Value Theorem),在開區間 (0,1) 內至少存在一點 c(滿足 0<c<1),使得:
1−0f(1)−f(0)=f′(c)
我們將已知條件 f(0)=10 與 f′(x)=ex2 代入上式:
f(1)−10=ec2⟹f(1)=10+ec2— (1)
由於中值點 c 嚴格限制在區間 (0,1) 內:
0<c<1
兩側同時平方(因為 c>0,平方運算保持不等號方向):
0<c2<1
再以常數 e>1 為底取指數(指數函數 y=et 為單調遞增函數,不等號方向不變):
e0<ec2<e1
即:
1<ec2<e— (2)
將不等式 (2) 的各項同時加上 10:
10+1<10+ec2<10+e⟹11<10+ec2<10+e
將式 (1) 代入中間項:
11<f(1)<10+e
對照題目要求之形式 A<f(1)<B,我們可得:
A=11,B=10+e
結論:
所求的常數為 A=11, B=10+e(或寫作 e+10)。