題目
Problem
4. Find the absolute maximum value of the function f(x)=x8e1−x2. (10%)
解答
解法一
思路
展開
- 本題要求函數 f(x)=x8e1−x2 在其定義域 R 上的絕對最大值。
- 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)
- 令 f′(x)=0⟹2x7(4−x2)=0⟹x=0 或 x=±2。
- 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 x, x8≥0 且 e1−x2>0,所以 f(x)≥0 恆成立。
- 當 x→±∞ 時,指數衰減速度遠快於冪函數增長,故 limx→±∞f(x)=0。
- 我們計算臨界點的函數值:
- f(0)=0。
- f(±2)=(±2)8e1−(±2)2=256e−3=e3256。
- 比較臨界點的值與無窮遠處的趨勢,最大值必為 e3256。
答題過程
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我們首先對函數 f(x)=x8e1−x2 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−x22x7e1−x2(4−x2)
我們令 f′(x)=0 以尋找臨界點。因為 e1−x2>0 恆成立:
2x7(4−x2)=0⟹x=0或x=2或x=−2
我們分析函數在整個實數軸 (−∞,∞) 上的行為:
- 非負性:因為 x8≥0 且指數項恆正,所以 f(x)≥0。
- 無窮遠處極限:
x→±∞limf(x)=x→±∞limex2−1x8=0
(因為當 x→±∞ 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=0 處:
f(0)=08e1−02=0
- 在 x=±2 處:
f(2)=f(−2)=28e1−22=256e−3=e3256
因為在臨界點 x=±2 的函數值最大,且當 x→±∞ 時函數趨向於 0,所以 e3256 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 e3256(發生於 x=±2 處)。