題目
Problem
3. Find the absolute maximum and absolute minimum values of f(x)=x2−x+1x on the interval [−2,0]. (10%)
解答
解法一
思路
展開
- 本題要求連續函數 f(x)=x2−x+1x 在閉區間 [−2,0] 上的絕對最大值與絕對最小值。
- 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」。
- 第一步:求一階導函數以找出臨界點:
- 使用商求導法則:
f′(x)=(x2−x+1)21⋅(x2−x+1)−x(2x−1)=(x2−x+1)2−x2+1
- 令 f′(x)=0⟹−x2+1=0⟹x=±1。
- 第二步:篩選落在給定區間 [−2,0] 內的臨界點:
- 只有 x=−1 屬於區間 [−2,0]。 x=1 不在區間內,捨去。
- 第三步:計算並比較端點與臨界點的函數值:
- 端點值: f(−2) 與 f(0)。
- 臨界點值: 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] 內的一階導數與臨界點。
使用商求導法則(Quotient Rule):
f′(x)====(x2−x+1)2dxd(x)(x2−x+1)−xdxd(x2−x+1)(x2−x+1)21(x2−x+1)−x(2x−1)(x2−x+1)2x2−x+1−2x2+x(x2−x+1)2−x2+1
我們令 f′(x)=0 以尋找臨界點:
−x2+1=0⟹x2=1⟹x=1或x=−1
因為定義域限制在閉區間 [−2,0],我們僅保留落在區間內的臨界點:
- x=−1 (保留)
- x=1 (不屬於 [−2,0],捨去)
接下來,我們分別計算端點 x=−2,0 以及臨界點 x=−1 處的函數值:
- 在端點 x=−2 處:
f(−2)=(−2)2−(−2)+1−2=4+2+1−2=−72
- 在端點 x=0 處:
f(0)=02−0+10=0
- 在臨界點 x=−1 處:
f(−1)=(−1)2−(−1)+1−1=1+1+1−1=−31
我們比較這三個函數值:
- 顯然,最大值為 0。
- 比較 −31 與 −72:
因為 −31=−217 且 −72=−216,所以 −31<−72。
故最小值為 −31。
結論:
- 絕對最大值(Absolute maximum)為 0(發生於 x=0)。
- 絕對最小值(Absolute minimum)為 −31(發生於 x=−1)。