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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)=xx2x+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)=xx2x+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(x2x+1)x(2x1)(x2x+1)2=x2+1(x2x+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}
    • 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)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)(x2x+1)xddx(x2x+1)(x2x+1)2=1(x2x+1)x(2x1)(x2x+1)2=x2x+12x2+x(x2x+1)2=x2+1(x2x+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=1x=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 = -2f(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 = 0f(0)=0020+1=0f(0) = \frac{0}{0^2 - 0 + 1} = 0
  3. 在臨界點 x=1x = -1f(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}27-\frac{2}{7}: 因為 13=721-\frac{1}{3} = -\frac{7}{21}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)。