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113 台綜大微積分(A) 第 3 題

考題 / 轉學考微積分 / 台綜大 / 微積分A

113學年度 · 113微積分A · 第 3 題

題目

Problem

3. Find the absolute maximum and absolute minimum values of f(x)=xx2−x+1f(x) = \frac{x}{x^2 - x + 1} on the interval [−2,0][-2, 0]. (10%)

解答

解法一

思路

展開
  1. 本題要求連續函數 f(x)=xx2−x+1f(x) = \frac{x}{x^2-x+1} 在閉區間 [−2,0][-2, 0] 上的絕對最大值與絕對最小值。
  2. 根據閉區間極值定理(Extreme Value Theorem),絕對極值必發生在「區間內的臨界點」或「區間的端點」。
  3. 第一步:求一階導函數以找出臨界點:
    • 使用商求導法則: f′(x)=1⋅(x2−x+1)−x(2x−1)(x2−x+1)2=−x2+1(x2−x+1)2f'(x) = \frac{1 \cdot (x^2-x+1) - x(2x-1)}{(x^2-x+1)^2} = \frac{-x^2+1}{(x^2-x+1)^2}
    • 令 f′(x)=0  ⟹  −x2+1=0  ⟹  x=±1f'(x) = 0 \implies -x^2 + 1 = 0 \implies x = \pm 1。
  4. 第二步:篩選落在給定區間 [−2,0][-2, 0] 內的臨界點:
    • 只有 x=−1x = -1 屬於區間 [−2,0][-2, 0]。 x=1x = 1 不在區間內,捨去。
  5. 第三步:計算並比較端點與臨界點的函數值:
    • 端點值: f(−2)f(-2) 與 f(0)f(0)。
    • 臨界點值: f(−1)f(-1)。
    • 比較大小即可得出最大與最小值。

答題過程

展開

首先,我們尋找函數在區間 [−2,0][-2, 0] 內的一階導數與臨界點。 使用商求導法則(Quotient Rule):

f′(x)= ddx(x)(x2−x+1)−xddx(x2−x+1)(x2−x+1)2= 1(x2−x+1)−x(2x−1)(x2−x+1)2= x2−x+1−2x2+x(x2−x+1)2= −x2+1(x2−x+1)2\begin{align*} f'(x) =&\, \frac{\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}(x)(x^2 - x + 1) - x \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}(x^2 - x + 1)}{(x^2 - x + 1)^2} \\[4mm] =&\, \frac{1(x^2 - x + 1) - x(2x - 1)}{(x^2 - x + 1)^2} \\[4mm] =&\, \frac{x^2 - x + 1 - 2x^2 + x}{(x^2 - x + 1)^2} \\[4mm] =&\, \frac{-x^2 + 1}{(x^2 - x + 1)^2} \end{align*}

我們令 f′(x)=0f'(x) = 0 以尋找臨界點:

−x2+1=0  ⟹  x2=1  ⟹  x=1或x=−1-x^2 + 1 = 0 \implies x^2 = 1 \implies x = 1 \quad \text{或} \quad x = -1

因為定義域限制在閉區間 [−2,0][-2, 0],我們僅保留落在區間內的臨界點:

  • x=−1x = -1 (保留)
  • x=1x = 1 (不屬於 [−2,0][-2, 0],捨去)

接下來,我們分別計算端點 x=−2,0x = -2, 0 以及臨界點 x=−1x = -1 處的函數值:

  1. 在端點 x=−2x = -2 處: f(−2)=−2(−2)2−(−2)+1=−24+2+1=−27f(-2) = \frac{-2}{(-2)^2 - (-2) + 1} = \frac{-2}{4 + 2 + 1} = -\frac{2}{7}
  2. 在端點 x=0x = 0 處: f(0)=002−0+1=0f(0) = \frac{0}{0^2 - 0 + 1} = 0
  3. 在臨界點 x=−1x = -1 處: f(−1)=−1(−1)2−(−1)+1=−11+1+1=−13f(-1) = \frac{-1}{(-1)^2 - (-1) + 1} = \frac{-1}{1 + 1 + 1} = -\frac{1}{3}

我們比較這三個函數值:

  • 顯然,最大值為 00。
  • 比較 −13-\frac{1}{3} 與 −27-\frac{2}{7}: 因為 −13=−721-\frac{1}{3} = -\frac{7}{21} 且 −27=−621-\frac{2}{7} = -\frac{6}{21},所以 −13<−27-\frac{1}{3} < -\frac{2}{7}。 故最小值為 −13-\frac{1}{3}。

結論:

  • 絕對最大值(Absolute maximum)為 00(發生於 x=0x = 0)。
  • 絕對最小值(Absolute minimum)為 −13-\displaystyle \frac{1}{3}(發生於 x=−1x = -1)。