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114 台綜大微積分 B 第 2 題

考題 / 轉學考微積分 / 台綜大 / 微積分 B

114學年度 · 114微積分B · 第 2 題

題目

Problem

Find the extreme values of the function

f(x)=x2−3x3f(x) = \frac{x^2 - 3}{x^3}

on the interval [1,5][1, 5]. (10%)

(2) 最大值為 見解答‾\underline{\quad\text{見解答}\quad},最小值為 見解答‾\underline{\quad\text{見解答}\quad}.

解答

解法一

思路

展開
  1. 本題要求連續函數 f(x)f(x) 在閉區間 [1,5][1, 5] 上的絕對最大值與絕對最小值。
  2. 根據閉區間極值定理,極值只可能出現在區間端點(x=1x=1 與 x=5x=5)或區間內的臨界點(滿足 f′(x)=0f'(x) = 0 或導數不存在的點)。
  3. 第一步:簡化函數並求導:
    • 將函數寫成單項冪之和形式,以便於求導: f(x)=x2x3−3x3=x−1−3x−3f(x) = \frac{x^2}{x^3} - \frac{3}{x^3} = x^{-1} - 3x^{-3}
    • 微分得: f′(x)=−x−2+9x−4=−1x2+9x4=9−x2x4f'(x) = -x^{-2} + 9x^{-4} = -\frac{1}{x^2} + \frac{9}{x^4} = \frac{9 - x^2}{x^4}
  4. 第二步:尋找臨界點: 令 f′(x)=0  ⟹  9−x2=0  ⟹  x2=9  ⟹  x=±3f'(x) = 0 \implies 9 - x^2 = 0 \implies x^2 = 9 \implies x = \pm 3。 因為我們的定義域限制在 [1,5][1, 5] 內,所以唯一合理的臨界點是 x=3x = 3。
  5. 第三步:比較各點函數值: 我們計算並比較三個候選點的函數值: f(1)f(1)、 f(3)f(3) 與 f(5)f(5)。 最大值即為絕對最大值,最小值即為絕對最小值。

答題過程

展開

首先,將函數簡化以方便求導:

f(x)=x2−3x3=x−1−3x−3f(x) = \frac{x^2 - 3}{x^3} = x^{-1} - 3x^{-3}

對 f(x)f(x) 求導:

f′(x)=−x−2−3(−3x−4)=−x−2+9x−4=9−x2x4f'(x) = -x^{-2} - 3(-3x^{-4}) = -x^{-2} + 9x^{-4} = \frac{9 - x^2}{x^4}

我們尋找區間 (1,5)(1, 5) 內的臨界點,令 f′(x)=0f'(x) = 0:

9−x2x4=0  ⟹  9−x2=0  ⟹  x=3(負值 x=−3 不在區間內)\frac{9 - x^2}{x^4} = 0 \implies 9 - x^2 = 0 \implies x = 3 \quad (\text{負值 } x = -3 \text{ 不在區間內})

因為在整個區間內分母 x4>0x^4 > 0,所以 x=3x=3 是區間內唯一的臨界點。


接下來,我們分別計算區間端點與臨界點的函數值:

  1. 左端點 x=1x = 1: f(1)=12−313=−21=−2f(1) = \frac{1^2 - 3}{1^3} = \frac{-2}{1} = -2
  2. 臨界點 x=3x = 3: f(3)=32−333=9−327=627=29f(3) = \frac{3^2 - 3}{3^3} = \frac{9 - 3}{27} = \frac{6}{27} = \frac{2}{9}
  3. 右端點 x=5x = 5: f(5)=52−353=25−3125=22125f(5) = \frac{5^2 - 3}{5^3} = \frac{25 - 3}{125} = \frac{22}{125}

數值大小比較: 我們對這三個數值進行大小比較:

  • −2<0\displaystyle -2 < 0 顯然為最小。
  • 比較 29\frac{2}{9} 與 22125\frac{22}{125}: 因為 29=2×1251125=2501125\frac{2}{9} = \frac{2 \times 125}{1125} = \frac{250}{1125} 且 22125=22×91125=1981125\frac{22}{125} = \frac{22 \times 9}{1125} = \frac{198}{1125}。 顯然 2501125>1981125  ⟹  29>22125\frac{250}{1125} > \frac{198}{1125} \implies \frac{2}{9} > \frac{22}{125}。

因此,最大值為 29\frac{2}{9}(發生在 x=3x = 3 處),最小值為 −2-2(發生在 x=1x = 1 處)。

結論:

  • 絕對最大值為 29\frac{2}{9}。
  • 絕對最小值為 −2-2。