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111 學年度台綜大微積分 A 第 3 題

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111學年度 · 111台綜大微積分A · 第 3 題

題目

Problem

3. If f(x)=∫0x2(1−t2)et2 dtf(x) = \int_0^{x^2} (1-t^2)e^{t^2}\,\mathrm{d}t, on what interval(s) is ff increasing? (10%)

解答

思路

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  1. 欲使函數 f(x)f(x) 遞增,需滿足其一階導數大於零,即 f′(x)>0f'(x) > 0。
  2. 根據微積分基本定理的第一形式與鏈鎖律: ddx∫0g(x)h(t) dt=h(g(x))⋅g′(x)\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} \int_0^{g(x)} h(t)\,\mathrm{d}t = h(g(x)) \cdot g'(x) 在此處 g(x)=x2g(x) = x^2,h(t)=(1−t2)et2h(t) = (1-t^2)e^{t^2}。
  3. 計算 f′(x)f'(x),並解一元多項式不等式。

答題過程

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對 f(x)f(x) 求導:

f′(x)=(1−(x2)2)e(x2)2⋅ddx(x2)f'(x) = (1 - (x^2)^2) e^{(x^2)^2} \cdot \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}(x^2) =2x(1−x4)ex4= 2x (1 - x^4) e^{x^4}

欲使函數 f(x)f(x) 遞增,令 f′(x)>0f'(x) > 0:

2x(1−x4)ex4>02x(1 - x^4)e^{x^4} > 0

由於對任意實數 xx,指數項 ex4>0e^{x^4} > 0 恆成立,故上式等價於:

x(1−x4)>0  ⟹  x(1−x2)(1+x2)>0x(1 - x^4) > 0 \implies x(1 - x^2)(1 + x^2) > 0

因為 1+x2>01 + x^2 > 0 恆為正,可進一步簡化為:

x(1−x2)>0  ⟹  x(1−x)(1+x)>0x(1 - x^2) > 0 \implies x(1 - x)(1 + x) > 0   ⟹  x(x−1)(x+1)<0\implies x(x - 1)(x + 1) < 0

利用數線劃分法,解此三次不等式:

  • 根為 x=−1,0,1x = -1, 0, 1。
  • 當 x<−1x < -1 時,三個括號均為負,乘積為負   ⟹  \implies 滿足不等式。
  • 當 0<x<10 < x < 1 時,兩個為正一個為負,乘積為負   ⟹  \implies 滿足不等式。

因此, f′(x)>0f'(x) > 0 的區間為:

x∈(−∞,−1)∪(0,1)x \in (-\infty, -1) \cup (0, 1)

結論: ff 的遞增區間為 (−∞,−1)(-\infty, -1) 與 (0,1)(0, 1)。