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114 台大微積分 C 第 2 題

考題 / 轉學考微積分 / 台大 / 微積分C

114學年度 · 114微積分C · 第 2 題

題目

Problem

The absolute maximum value of f(x)=sinx2cosxf(x) = \frac{\sin x}{2-\cos x} over the closed interval [0,π][0, \pi] is (3)\underline{\quad(3)\quad}. The absolute minimum value of f(x)f(x) over [0,π][0, \pi] is (4)\underline{\quad(4)\quad}.

解答

(3)、(4)

解法一:閉區間極值檢查

思路

展開
  1. 這是閉區間上的絕對極值問題,標準流程是找臨界點並比較端點。
  2. 分母 2cosx2-\cos x[0,π][0,\pi] 上恆不為零,所以函數在整個閉區間連續。
  3. 找完臨界點後,把 x=0,π3,πx=0,\frac{\pi}{3},\pi 代回去比較即可。

答題過程

展開

先求導:

f(x)=cosx(2cosx)sinx(sinx)(2cosx)2=2cosxcos2xsin2x(2cosx)2=2cosx1(2cosx)2\begin{align*} f'(x) =&\, \frac{\cos x(2-\cos x)-\sin x(\sin x)}{(2-\cos x)^2} \\[4mm] =&\, \frac{2\cos x-\cos^2x-\sin^2x}{(2-\cos x)^2} \\[4mm] =&\, \frac{2\cos x-1}{(2-\cos x)^2} \end{align*}

f(x)=0f'(x)=0

2cosx1=0x=π3\begin{align*} 2\cos x-1=0 \quad\Rightarrow\quad x=\frac{\pi}{3} \end{align*}

比較端點與臨界點:

f(0)=0f(π3)=32212=33f(π)=0\begin{align*} f(0) =&\,0 \\[4mm] f\left(\frac{\pi}{3}\right) =&\, \frac{\frac{\sqrt{3}}{2}}{2-\frac{1}{2}} =\frac{\sqrt{3}}{3} \\[4mm] f(\pi) =&\,0 \end{align*}

因此絕對最大值為 33\frac{\sqrt{3}}{3},絕對最小值為 00

所以第 (3) 格答案為 33\frac{\sqrt{3}}{3},第 (4) 格答案為 00

經驗總結

解分式為零,即分子為零。

解法二:改用 cosx\cos x 比較

思路

展開
  1. [0,π][0,\pi] 上,sinx0\sin x\ge 02cosx>02-\cos x>0,所以 f(x)0f(x)\ge 0
  2. 因此絕對最小值很容易先看出來是端點的 00
  3. 要找最大值,可令 u=cosxu=\cos x,再最大化 f2f^2,避免處理三角函數的商數求導。

答題過程

展開

因為在 [0,π][0,\pi] 上有 sinx0\sin x\ge 0,而 2cosx>02-\cos x>0,所以

f(x)=sinx2cosx0\begin{align*} f(x)=\frac{\sin x}{2-\cos x}\ge 0 \end{align*}

f(0)=f(π)=0f(0)=f(\pi)=0,所以絕對最小值為 00

接著找最大值。令 u=cosxu=\cos x,則 u[1,1]u\in[-1,1],且

[f(x)]2=sin2x(2cosx)2=1u2(2u)2\begin{align*} \Big[f(x)\Big]^2 =&\, \frac{\sin^2x}{(2-\cos x)^2} \\[4mm] =&\, \frac{1-u^2}{(2-u)^2} \end{align*}

g(u)=1u2(2u)2\begin{align*} g(u)=\frac{1-u^2}{(2-u)^2} \end{align*}

求導:

g(u)=(2u)(2u)2(1u2)2(2u)(1)(2u)4=2(2u)[(1u2)u(2u)](2u)4=2(12u)(2u)3\begin{align*} g'(u) =&\, \frac{(-2u)(2-u)^2-(1-u^2)\cdot 2(2-u)(-1)}{(2-u)^4} \\[4mm] =&\, \frac{2(2-u)\left[(1-u^2)-u(2-u)\right]}{(2-u)^4} \\[4mm] =&\, \frac{2(1-2u)}{(2-u)^3} \end{align*}

所以最大值候選點為

12u=0u=12\begin{align*} 1-2u=0 \quad\Rightarrow\quad u=\frac{1}{2} \end{align*}

也就是 cosx=12\cos x=\frac{1}{2},故 x=π3x=\frac{\pi}{3}。代回:

f(π3)=3232=33\begin{align*} f\left(\frac{\pi}{3}\right) =&\, \frac{\frac{\sqrt{3}}{2}}{\frac{3}{2}} =\frac{\sqrt{3}}{3} \end{align*}

因此絕對最大值為 33\frac{\sqrt{3}}{3},絕對最小值為 00

也可以不解出 x=π3x=\frac{\pi}{3},直接把 u=12u=\frac{1}{2} 代到 g(u)g(u)g(u)g(u) 的最大值:

g(12)=1(12)2(212)2=13\begin{align*} g\left(\frac{1}{2}\right)=&\,\frac{1-(\frac{1}{2})^2}{(2-\frac{1}{2})^2}\\[4mm] =&\,\frac{1}{3} \end{align*}

由於 g(u)=[f(x)]2g(u)=\Big[f(x)\Big]^2, 這說明 f(x)f(x) 的最大值為 13=33\sqrt{\frac{1}{3}}=\frac{\sqrt{3}}{3}