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114 政大微積分 Part A 第 5 題

考題 / 轉學考微積分 / 政大 / 微積分

114學年度 · 114微積分 · 第 5 題

題目

Problem

Find the maximum value of

f(x)=2xx+1x1,for x[1,).f(x) = 2\sqrt{x} - \sqrt{x+1} - \sqrt{x-1}, \quad \text{for } x \in [1, \infty).

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(5) 見解答\underline{\quad\text{見解答}\quad}.

解答

解法一:利用凹凸性與詹森不等式(優雅證明法)

思路

展開
  1. 本題要求連續函數 f(x)=2xx+1x1f(x) = 2\sqrt{x} - \sqrt{x+1} - \sqrt{x-1} 在定義域 [1,)[1, \infty) 上的最大值。
  2. 我們對 f(x)f(x) 進行微分,求出一階導數 f(x)f'(x)f(x)=1x12x+112x1f'(x) = \frac{1}{\sqrt{x}} - \frac{1}{2\sqrt{x+1}} - \frac{1}{2\sqrt{x-1}} 為了判斷 f(x)f'(x) 的正負號,我們可以觀察其結構。它包含三個形如 t1/2t^{-1/2} 的項。
  3. 我們令輔助函數為 h(t)=t1/2=1th(t) = t^{-1/2} = \frac{1}{\sqrt{t}},定義在 t>0t > 0。 對 h(t)h(t) 進行兩次微分以判斷其凹凸性:
    • h(t)=12t3/2h'(t) = -\frac{1}{2}t^{-3/2}
    • h(t)=34t5/2>0h''(t) = \frac{3}{4}t^{-5/2} > 0 因為二階導數恆大於 00,所以 h(t)h(t) 在定義域上是**嚴格凹向上(或稱嚴格凸,Strictly Convex)**的函數。
  4. 根據詹森不等式 (Jensen’s Inequality),對於嚴格凸函數 h(t)h(t),在其定義域內的任意兩個不相等實數 aabb,均有: h(a)+h(b)2>h(a+b2)\frac{h(a) + h(b)}{2} > h\left( \frac{a+b}{2} \right)
  5. 我們令 a=x+1a = x+1b=x1b = x-1。此時 a+b2=x\frac{a+b}{2} = x。 代入詹森不等式,即可一秒判斷出 f(x)<0f'(x) < 0 恆成立。
  6. 這說明 f(x)f(x) 在整個定義域上是嚴格單調遞減的。因此,最大值必然發生在定義域的左側邊界起點 x=1x=1 處。

答題過程

展開

首先,對函數 f(x)=2xx+1x1f(x) = 2\sqrt{x} - \sqrt{x+1} - \sqrt{x-1} 在區間 (1,)(1, \infty) 上進行微分:

f(x)=1x12x+112x1— (1)f'(x) = \frac{1}{\sqrt{x}} - \frac{1}{2\sqrt{x+1}} - \frac{1}{2\sqrt{x-1}} \quad \text{--- (1)}

我們引入輔助函數為:

h(t)=1t=t12,t>0h(t) = \frac{1}{\sqrt{t}} = t^{-\frac{1}{2}}, \quad t > 0

h(t)h(t) 求一階與二階導數:

h(t)=12t32h(t)=34t52\begin{align*} h'(t) =&\, -\frac{1}{2} t^{-\frac{3}{2}} \\[4mm] h''(t) =&\, \frac{3}{4} t^{-\frac{5}{2}} \end{align*}

t>0t > 0 時,二階偏導 h(t)>0h''(t) > 0 恆成立。因此,函數 h(t)=1th(t) = \frac{1}{\sqrt{t}} 為一個**嚴格凹向上(Strictly Convex)**的函數。

根據詹森不等式,對於任意不相等的正實數 aabb,凸函數滿足:

h(a)+h(b)2>h(a+b2)\frac{h(a) + h(b)}{2} > h\left( \frac{a+b}{2} \right)

x>1x > 1 時,我們令:

a=x+1,b=x1a = x+1, \quad b = x-1

此時 aba \neq b,且其算術平均數為:

a+b2=(x+1)+(x1)2=x\frac{a+b}{2} = \frac{(x+1) + (x-1)}{2} = x

將這三項代入詹森不等式中:

1x+1+1x12>1x1x12x+112x1<0\begin{align*} \frac{\frac{1}{\sqrt{x+1}} + \frac{1}{\sqrt{x-1}}}{2} >&\, \frac{1}{\sqrt{x}} \\[4mm] \frac{1}{\sqrt{x}} - \frac{1}{2\sqrt{x+1}} - \frac{1}{2\sqrt{x-1}} <&\, 0 \end{align*}

對照式 (1) 的導數定義,這說明:

f(x)<0對於所有 x(1,) 恆成立f'(x) < 0 \quad \text{對於所有 } x \in (1, \infty) \text{ 恆成立}

因為一階導數在區間內恆為負,函數 f(x)f(x) 在定義域 [1,)[1, \infty) 上為嚴格單調遞減。 故函數的最大值必然發生在區間的起點 x=1x = 1

f(1)=211+111=220=22\begin{align*} f(1) =&\, 2\sqrt{1} - \sqrt{1+1} - \sqrt{1-1} \\[4mm] =&\, 2 - \sqrt{2} - 0 \\[4mm] =&\, 2 - \sqrt{2} \end{align*}

結論: 函數的最大值為 222 - \sqrt{2}


解法二:利用導數代數變換(常規計算法)

思路

展開
  1. 如果在考場上沒有聯想到詹森不等式,我們也可以直接對一階導函數 f(x)f'(x) 進行通分與代數比較。
  2. 一階導數為: f(x)=1xx1+x+12x21f'(x) = \frac{1}{\sqrt{x}} - \frac{\sqrt{x-1} + \sqrt{x+1}}{2\sqrt{x^2-1}}
  3. 我們要判斷 f(x)<0f'(x) < 0 是否恆成立,等價於比較: 1x<?x1+x+12x21    2x21<?x(x1+x+1)\frac{1}{\sqrt{x}} \stackrel{?}{<} \frac{\sqrt{x-1} + \sqrt{x+1}}{2\sqrt{x^2-1}} \iff 2\sqrt{x^2-1} \stackrel{?}{<} \sqrt{x}(\sqrt{x-1} + \sqrt{x+1})
  4. 由於兩邊在 x>1x > 1 時皆為正數,我們可以將不等式兩邊同時進行兩次平方,消去根式後化簡比較。
  5. 通過嚴密的代數化簡,最終能證明 f(x)<0f'(x) < 0 恆成立,進而得出最大值同樣發生在邊界點 x=1x=1

答題過程

展開

我們對一階導函數進行通分整理:

f(x)=1x12x+112x1=2x21x(x1+x+1)2x(x21)f'(x) = \frac{1}{\sqrt{x}} - \frac{1}{2\sqrt{x+1}} - \frac{1}{2\sqrt{x-1}} = \frac{2\sqrt{x^2-1} - \sqrt{x}\big(\sqrt{x-1} + \sqrt{x+1}\big)}{2\sqrt{x(x^2-1)}}

要判定 f(x)<0f'(x) < 0 恆成立,只需證明分子在 x>1x > 1 時恆小於 00

2x21<x(x1+x+1)— (2)2\sqrt{x^2-1} < \sqrt{x}\big(\sqrt{x-1} + \sqrt{x+1}\big) \quad \text{--- (2)}

由於不等式兩邊均為正數,我們將兩邊同時平方:

左式2=4(x21)=4x24右式2=x((x1)+(x+1)+2(x1)(x+1))=x(2x+2x21)=2x2+2xx21\begin{align*} \text{左式}^2 =&\, 4(x^2 - 1) = 4x^2 - 4 \\[4mm] \text{右式}^2 =&\, x \Big( (x-1) + (x+1) + 2\sqrt{(x-1)(x+1)} \Big) \\[4mm] =&\, x \Big( 2x + 2\sqrt{x^2-1} \Big) \\[4mm] =&\, 2x^2 + 2x\sqrt{x^2-1} \end{align*}

因此,不等式 (2) 成立等價於:

4x24<2x2+2xx212x24<2xx21x22<xx21— (3)\begin{align*} 4x^2 - 4 <&\, 2x^2 + 2x\sqrt{x^2-1} \\[4mm] 2x^2 - 4 <&\, 2x\sqrt{x^2-1} \\[4mm] x^2 - 2 <&\, x\sqrt{x^2-1} \quad \text{--- (3)} \end{align*}

現在,我們對式 (3) 進行討論:

  • 1<x<21 < x < \sqrt{2}: 左邊 x22<0x^2 - 2 < 0,而右邊 xx21>0x\sqrt{x^2-1} > 0。負數必然小於正數,因此式 (3) 顯然成立。
  • x2x \ge \sqrt{2}: 此時左邊與右邊皆為非負數,我們可以對兩邊再次平方: (x22)2<x2(x21)x44x2+4<x4x24<3x2\begin{align*} (x^2 - 2)^2 <&\, x^2 (x^2 - 1) \\[4mm] x^4 - 4x^2 + 4 <&\, x^4 - x^2 \\[4mm] 4 <&\, 3x^2 \end{align*} 因為 x2    x22x \ge \sqrt{2} \implies x^2 \ge 2,所以 3x26>43x^2 \ge 6 > 4。此不等式必然成立。

綜上所述,不等式 (2) 在所有 x>1x > 1 時恆成立。 這證明了 f(x)<0f'(x) < 0 恆成立,函數 f(x)f(x)[1,)[1, \infty) 上為嚴格單調遞減。

因此,最大值發生在 x=1x = 1

f(1)=2120=22f(1) = 2\sqrt{1} - \sqrt{2} - \sqrt{0} = 2 - \sqrt{2}

結論: 函數的最大值為 222 - \sqrt{2}