題目
Problem
7. Along all triangles in the first quadrant formed by the x x x -axis, the y y y -axis, and tangent lines to the graph of y = 3 x − x 2 y = 3x - x^2 y = 3 x − x 2 , what is the smallest possible area?
解答
解法一:商法則求導法
思路
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設切點為 P ( a , 3 a − a 2 ) P(a, 3a - a^2) P ( a , 3 a − a 2 ) ,其中 a > 0 a > 0 a > 0 。
曲線的一階導數(即切線斜率)為 y ′ = 3 − 2 x ⟹ m = 3 − 2 a y' = 3-2x \implies m = 3-2a y ′ = 3 − 2 x ⟹ m = 3 − 2 a 。
寫出切線方程 L ( x ) L(x) L ( x ) 。
求出 L L L 與兩坐標軸的交點(x x x -軸與 y y y -軸截距),截距必須大於零(因為三角形在第一象限),這會限制 a a a 的範圍(a > 3 / 2 a > 3/2 a > 3/2 )。
寫出面積函數 A ( a ) = 1 2 x int y int A(a) = \frac{1}{2} x_{\text{int}} y_{\text{int}} A ( a ) = 2 1 x int y int ,並利用商法則求導尋找極小值點。
答題過程
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第一步:寫出切線方程式
設切點在第一象限曲線 y = 3 x − x 2 y = 3x - x^2 y = 3 x − x 2 上,坐標為 P ( a , 3 a − a 2 ) P(a, 3a-a^2) P ( a , 3 a − a 2 ) ,其中 a > 0 a > 0 a > 0 。
該點切線斜率為:
m = d y d x ∣ x = a = 3 − 2 a m = \left. \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} \right|_{x=a} = 3 - 2a m = d x d y x = a = 3 − 2 a
切線方程為:
y − ( 3 a − a 2 ) = ( 3 − 2 a ) ( x − a ) y - (3a - a^2) = (3 - 2a)(x - a) y − ( 3 a − a 2 ) = ( 3 − 2 a ) ( x − a )
第二步:求坐標軸截距
第三步:求三角形面積的極小值
面積函數 A ( a ) A(a) A ( a ) 為:
A ( a ) = 1 2 x int y int = 1 2 ( a 2 2 a − 3 ) a 2 = a 4 2 ( 2 a − 3 ) , a > 3 2 A(a) = \frac{1}{2} x_{\text{int}} y_{\text{int}} = \frac{1}{2} \left( \frac{a^2}{2a - 3} \right) a^2 = \frac{a^4}{2(2a - 3)}, \quad a > \frac{3}{2} A ( a ) = 2 1 x int y int = 2 1 ( 2 a − 3 a 2 ) a 2 = 2 ( 2 a − 3 ) a 4 , a > 2 3
對 A ( a ) A(a) A ( a ) 關於 a a a 求導(商法則):
A ′ ( a ) = 1 2 ⋅ 4 a 3 ( 2 a − 3 ) − a 4 ( 2 ) ( 2 a − 3 ) 2 = 1 2 ⋅ 8 a 4 − 12 a 3 − 2 a 4 ( 2 a − 3 ) 2 = 3 a 3 ( a − 2 ) ( 2 a − 3 ) 2 A'(a) = \frac{1}{2} \cdot \frac{4a^3(2a-3) - a^4(2)}{(2a-3)^2} = \frac{1}{2} \cdot \frac{8a^4 - 12a^3 - 2a^4}{(2a-3)^2} = \frac{3a^3(a - 2)}{(2a - 3)^2} A ′ ( a ) = 2 1 ⋅ ( 2 a − 3 ) 2 4 a 3 ( 2 a − 3 ) − a 4 ( 2 ) = 2 1 ⋅ ( 2 a − 3 ) 2 8 a 4 − 12 a 3 − 2 a 4 = ( 2 a − 3 ) 2 3 a 3 ( a − 2 )
令 A ′ ( a ) = 0 A'(a) = 0 A ′ ( a ) = 0 且 a > 3 / 2 a > 3/2 a > 3/2 ,得到臨界點為:
a = 2 a = 2 a = 2
當 a ∈ ( 3 / 2 , 2 ) a \in (3/2, 2) a ∈ ( 3/2 , 2 ) 時, A ′ ( a ) < 0 A'(a) < 0 A ′ ( a ) < 0 (面積遞減);當 a > 2 a > 2 a > 2 時, A ′ ( a ) > 0 A'(a) > 0 A ′ ( a ) > 0 (面積遞增)。
故當 a = 2 a = 2 a = 2 時,面積函數取得絕對極小值:
A ( 2 ) = 2 4 2 ( 2 ( 2 ) − 3 ) = 16 2 ( 1 ) = 8 A(2) = \frac{2^4}{2(2(2) - 3)} = \frac{16}{2(1)} = 8 A ( 2 ) = 2 ( 2 ( 2 ) − 3 ) 2 4 = 2 ( 1 ) 16 = 8
因此,最小可能面積為 8 \boxed{8} 8 。
解法二:對數求導法
思路
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同樣求得面積函數為 A ( a ) = a 4 2 ( 2 a − 3 ) A(a) = \frac{a^4}{2(2a - 3)} A ( a ) = 2 ( 2 a − 3 ) a 4 。
為了簡化高次分式的求導過程,可對面積函數兩邊取自然對數:
ln A ( a ) = 4 ln a − ln ( 2 a − 3 ) − ln 2 \ln A(a) = 4\ln a - \ln(2a-3) - \ln 2 ln A ( a ) = 4 ln a − ln ( 2 a − 3 ) − ln 2
對兩邊求導,藉此快速求出臨界點。
答題過程
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由解法一,我們得到面積函數為:
A ( a ) = a 4 2 ( 2 a − 3 ) , a > 3 2 A(a) = \frac{a^4}{2(2a - 3)}, \quad a > \frac{3}{2} A ( a ) = 2 ( 2 a − 3 ) a 4 , a > 2 3
兩邊取自然對數:
ln A ( a ) = 4 ln a − ln ( 2 a − 3 ) − ln 2 \ln A(a) = 4\ln a - \ln(2a - 3) - \ln 2 ln A ( a ) = 4 ln a − ln ( 2 a − 3 ) − ln 2
對 a a a 求導:
A ′ ( a ) A ( a ) = 4 a − 2 2 a − 3 = 4 ( 2 a − 3 ) − 2 a a ( 2 a − 3 ) = 6 a − 12 a ( 2 a − 3 ) = 6 ( a − 2 ) a ( 2 a − 3 ) \frac{A'(a)}{A(a)} = \frac{4}{a} - \frac{2}{2a - 3} = \frac{4(2a - 3) - 2a}{a(2a - 3)} = \frac{6a - 12}{a(2a - 3)} = \frac{6(a - 2)}{a(2a - 3)} A ( a ) A ′ ( a ) = a 4 − 2 a − 3 2 = a ( 2 a − 3 ) 4 ( 2 a − 3 ) − 2 a = a ( 2 a − 3 ) 6 a − 12 = a ( 2 a − 3 ) 6 ( a − 2 )
由於 a > 3 2 a > \frac{3}{2} a > 2 3 ,分母 a ( 2 a − 3 ) > 0 a(2a-3) > 0 a ( 2 a − 3 ) > 0 ,且 A ( a ) > 0 A(a) > 0 A ( a ) > 0 。
令 A ′ ( a ) = 0 ⟹ a − 2 = 0 ⟹ a = 2 A'(a) = 0 \implies a - 2 = 0 \implies a = 2 A ′ ( a ) = 0 ⟹ a − 2 = 0 ⟹ a = 2 。
當 a < 2 a < 2 a < 2 時, A ′ ( a ) < 0 A'(a) < 0 A ′ ( a ) < 0 ;當 a > 2 a > 2 a > 2 時, A ′ ( a ) > 0 A'(a) > 0 A ′ ( a ) > 0 。
因此,當 a = 2 a = 2 a = 2 處有局部極小值(亦為絕對極小值)。
代入原面積函數:
A ( 2 ) = 2 4 2 ( 2 ( 2 ) − 3 ) = 16 2 = 8 A(2) = \frac{2^4}{2(2(2) - 3)} = \frac{16}{2} = \boxed{8} A ( 2 ) = 2 ( 2 ( 2 ) − 3 ) 2 4 = 2 16 = 8