題目
Problem
3. Let f(x)=31x3+x+1 and g=f−1 be the inverse function of f. A curve C satisfies the equation 2x2y+xy2=8. Find a point (a,b) such that
(i) (a,b) is in the first quadrant,
(ii) (a,b) is on the graph of g, and
(iii) the tangent line to the graph of g at (a,b) is perpendicular to the tangent line to the curve C at (1,2). (10%)
解答
思路
展開
- 求曲線 C 在 (1,2) 處的切線斜率 mC:
利用隱函數求導法求 2x2y+xy2=8 的導函數 dxdy,代入 (1,2) 得 mC=−2。
- 利用垂直關係求 g′(a):
因為 g 在 (a,b) 的切線垂直於 C 在 (1,2) 的切線,故斜率乘積為 −1。
g′(a)⋅(−2)=−1⟹g′(a)=21
- 利用反函數關係求 b:
因為 (a,b) 在 g 的圖形上 ⟹b=g(a)⟹a=f(b)。
根據反函數導數公式:
g′(a)=f′(b)1=21⟹f′(b)=2
由 f(x)=31x3+x+1⟹f′(x)=x2+1,解出 b2+1=2。
- 篩選第一象限點:
由 b>0 可得 b=1,代回 a=f(1) 即可。
答題過程
展開
第一步:求曲線 C 在 (1,2) 處的切線斜率
曲線方程式為:
Φ(x,y)=2x2y+xy2−8=0
計算偏導:
Φx=4xy+y2,Φy=2x2+2xy
代入點 (1,2):
Φx(1,2)=4(1)(2)+22=12
Φy(1,2)=2(1)2+2(1)(2)=6
故曲線 C 在 (1,2) 處的切線斜率 mC 為:
mC=−Φy(1,2)Φx(1,2)=−612=−2
第二步:利用垂直關係求 g′(a)
設 g 在 (a,b) 的切線斜率為 mg=g′(a)。
因為兩切線垂直,故斜率乘積為 −1:
g′(a)⋅(−2)=−1⟹g′(a)=21
第三步:求點 (a,b)
因為點 (a,b) 在反函數 g=f−1 上,故有關係:
b=g(a)⟹a=f(b)
根據反函數導數定理:
g′(a)=f′(b)1⟹f′(b)1=21⟹f′(b)=2
對 f(x)=31x3+x+1 求導:
f′(x)=x2+1
故有:
b2+1=2⟹b2=1⟹b=1 或 −1
由於點 (a,b) 位於第一象限(條件 i),故 b>0⟹b=1。
代回 a=f(b):
a=f(1)=31(1)3+1+1=37
結論:
所求之點 (a,b)=(37,1)。