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112 台綜大微積分(B) 第 5 題

考題 / 轉學考微積分 / 台綜大 / 微積分B

112學年度 · 112微積分B · 第 5 題

題目

Problem

5. Let f(x) = rac{x}{(x-1)^2}. Find the intervals on which ff is increasing and the intervals on which ff is decreasing. (10%)

解答

解法一

思路

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  1. 本題要求判斷函數 f(x) = rac{x}{(x-1)^2} 的單調增減區間。
  2. 函數的定義域為 {x∈R∣xe1}\{ x \in \mathbb{R} \mid x e 1 \}。
  3. 第一步:求導函數 f′(x)f'(x): 使用商的求導法則 (Quotient Rule) 對 f(x)f(x) 求導並進行因式分解。
  4. 第二步:尋找臨界點 (Critical Points): 令 f′(x)=0f'(x) = 0 解出 xx。同時注意定義域不連續點 x=1x=1。
  5. 第三步:分析 f′(x)f'(x) 在各區間的正負號:
    • 當 f′(x)>0f'(x) > 0 時,函數遞增。
    • 當 f′(x)<0f'(x) < 0 時,函數遞減。

答題過程

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給定函數為:

f(x) = rac{x}{(x-1)^2} \,, \quad x e 1

我們使用商的求導法則對其求導:

egin{align*} f'(x) =&\, rac{(1) \cdot (x-1)^2 - x \cdot 2(x-1)}{(x-1)^4} \[4mm] =&\, rac{(x-1)[(x-1) - 2x]}{(x-1)^4} \[4mm] =&\, rac{-x - 1}{(x-1)^3} = - rac{x+1}{(x-1)^3} \end{align*}

令 f′(x)=0  ⟹  x=−1f'(x) = 0 \implies x = -1(此為函數的唯一臨界點)。 定義域在 x=1x = 1 處不連續。我們以 x=−1x = -1 與 x=1x = 1 將實數軸劃分為三個區間,分析 f′(x)f'(x) 的正負號:

  1. 當 x∈(−∞,−1)x \in (-\infty, -1) 時: x+1<0x + 1 < 0 且 (x−1)3<0(x-1)^3 < 0,故:

    f'(x) = - rac{(-)}{(-)} < 0 \implies f(x) ext{ 遞減}
  2. 當 x∈(−1,1)x \in (-1, 1) 時: x+1>0x + 1 > 0 且 (x−1)3<0(x-1)^3 < 0,故:

    f'(x) = - rac{(+)}{(-)} > 0 \implies f(x) ext{ 遞增}
  3. 當 x∈(1,∞)x \in (1, \infty) 時: x+1>0x + 1 > 0 且 (x−1)3>0(x-1)^3 > 0,故:

    f'(x) = - rac{(+)}{(+)} < 0 \implies f(x) ext{ 遞減}

綜合上述分析,我們可以得到:

  • 遞增區間為: [−1,1)[-1, 1) (或寫作 (−1,1)(-1, 1))
  • 遞減區間為: (−∞,−1](-\infty, -1] 及 (1,∞)(1, \infty) (或寫作 (−∞,−1)(-\infty, -1) 及 (1,∞)(1, \infty))