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113 台綜大微積分(C) 第 4 題

考題 / 轉學考微積分 / 台綜大 / 微積分C

113學年度 · 113微積分C · 第 4 題

題目

Problem

4. Find the absolute maximum value of the function f(x)=x8e1−x2f(x) = x^8 e^{1-x^2}. (10%)

解答

解法一

思路

展開
  1. 本題要求函數 f(x)=x8e1−x2f(x) = x^8 e^{1-x^2} 在其定義域 R\mathbb{R} 上的絕對最大值。
  2. 第一步:求一階導函數,尋找所有臨界點:
    • 使用乘積法則與連鎖律求導: f′(x)=8x7e1−x2+x8e1−x2(−2x)=2x7e1−x2(4−x2)f'(x) = 8x^7 e^{1-x^2} + x^8 e^{1-x^2}(-2x) = 2x^7 e^{1-x^2}(4 - x^2)
    • 令 f′(x)=0  ⟹  2x7(4−x2)=0  ⟹  x=0f'(x) = 0 \implies 2x^7(4-x^2) = 0 \implies x = 0 或 x=±2x = \pm 2。
  3. 第二步:分析臨界點處的函數值並探討邊界行為:
    • 由於對於所有實數 xx, x8≥0x^8 \ge 0 且 e1−x2>0e^{1-x^2} > 0,所以 f(x)≥0f(x) \ge 0 恆成立。
    • 當 x→±∞x \to \pm\infty 時,指數衰減速度遠快於冪函數增長,故 lim⁡x→±∞f(x)=0\lim_{x\to \pm\infty} f(x) = 0。
    • 我們計算臨界點的函數值:
      • f(0)=0f(0) = 0。
      • f(±2)=(±2)8e1−(±2)2=256e−3=256e3f(\pm 2) = (\pm 2)^8 e^{1-(\pm 2)^2} = 256 e^{-3} = \frac{256}{e^3}。
    • 比較臨界點的值與無窮遠處的趨勢,最大值必為 256e3\frac{256}{e^3}。

答題過程

展開

我們首先對函數 f(x)=x8e1−x2f(x) = x^8 e^{1-x^2} 求一階導函數: 使用乘積與連鎖求導法則:

f′(x)= 8x7e1−x2+x8(e1−x2⋅(−2x))= 8x7e1−x2−2x9e1−x2= 2x7e1−x2(4−x2)\begin{align*} f'(x) =&\, 8x^7 e^{1-x^2} + x^8 \left( e^{1-x^2} \cdot (-2x) \right) \\[2mm] =&\, 8x^7 e^{1-x^2} - 2x^9 e^{1-x^2} \\[2mm] =&\, 2x^7 e^{1-x^2} \left( 4 - x^2 \right) \end{align*}

我們令 f′(x)=0f'(x) = 0 以尋找臨界點。因為 e1−x2>0e^{1-x^2} > 0 恆成立:

2x7(4−x2)=0  ⟹  x=0或x=2或x=−22x^7 (4 - x^2) = 0 \implies x = 0 \quad \text{或} \quad x = 2 \quad \text{或} \quad x = -2

我們分析函數在整個實數軸 (−∞,∞)(-\infty, \infty) 上的行為:

  1. 非負性:因為 x8≥0x^8 \ge 0 且指數項恆正,所以 f(x)≥0f(x) \ge 0。
  2. 無窮遠處極限: lim⁡x→±∞f(x)=lim⁡x→±∞x8ex2−1=0\lim_{x \to \pm\infty} f(x) = \lim_{x \to \pm\infty} \frac{x^8}{e^{x^2-1}} = 0 (因為當 x→±∞x \to \pm\infty 時,分母指數增長的速度遠大於分子冪函數)。

我們計算各個臨界點的函數值:

  • 在 x=0x = 0 處: f(0)=08e1−02=0f(0) = 0^8 e^{1-0^2} = 0
  • 在 x=±2x = \pm 2 處: f(2)=f(−2)=28e1−22=256e−3=256e3f(2) = f(-2) = 2^8 e^{1-2^2} = 256 e^{-3} = \frac{256}{e^3}

因為在臨界點 x=±2x = \pm 2 的函數值最大,且當 x→±∞x \to \pm\infty 時函數趨向於 00,所以 256e3\frac{256}{e^3} 確實為函數在整個定義域上的絕對最大值。

結論: 絕對最大值(Absolute maximum value)為 256e3\displaystyle \frac{256}{e^3}(發生於 x=±2x = \pm 2 處)。