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111 學年度台聯大微積分 A3/A4/A6 第 7 題

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111學年度 · 111台聯大微積分A3/A4/A6 · 第 7 題

題目

Problem

7. Along all triangles in the first quadrant formed by the xx-axis, the yy-axis, and tangent lines to the graph of y=3xx2y = 3x - 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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  1. 設切點為 P(a,3aa2)P(a, 3a - a^2),其中 a>0a > 0
  2. 曲線的一階導數(即切線斜率)為 y=32x    m=32ay' = 3-2x \implies m = 3-2a
  3. 寫出切線方程 L(x)L(x)
  4. 求出 LL 與兩坐標軸的交點(xx-軸與 yy-軸截距),截距必須大於零(因為三角形在第一象限),這會限制 aa 的範圍(a>3/2a > 3/2)。
  5. 寫出面積函數 A(a)=12xintyintA(a) = \frac{1}{2} x_{\text{int}} y_{\text{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=3xx2y = 3x - x^2 上,坐標為 P(a,3aa2)P(a, 3a-a^2),其中 a>0a > 0。 該點切線斜率為:

m=dydxx=a=32am = \left. \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} \right|_{x=a} = 3 - 2a

切線方程為:

y(3aa2)=(32a)(xa)y - (3a - a^2) = (3 - 2a)(x - a)

第二步:求坐標軸截距

  • yy-軸截距(令 x=0x=0):

    yint=3aa2+(32a)(a)=3aa23a+2a2=a2y_{\text{int}} = 3a - a^2 + (3 - 2a)(-a) = 3a - a^2 - 3a + 2a^2 = a^2

    為使三角形在第一象限,需 yint=a2>0y_{\text{int}} = a^2 > 0,此條件在 a>0a>0 時恆成立。

  • xx-軸截距(令 y=0y=0):

    (3aa2)=(32a)(xa)    xa=a23a32a    xint=a+a23a32a=a22a3-(3a - a^2) = (3 - 2a)(x - a) \implies x - a = \frac{a^2 - 3a}{3 - 2a} \implies x_{\text{int}} = a + \frac{a^2 - 3a}{3 - 2a} = \frac{a^2}{2a - 3}

    為使 xint>0x_{\text{int}} > 0,必須滿足:

    2a3>0    a>322a - 3 > 0 \implies a > \frac{3}{2}

第三步:求三角形面積的極小值

面積函數 A(a)A(a) 為:

A(a)=12xintyint=12(a22a3)a2=a42(2a3),a>32A(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)A(a) 關於 aa 求導(商法則):

A(a)=124a3(2a3)a4(2)(2a3)2=128a412a32a4(2a3)2=3a3(a2)(2a3)2A'(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)=0A'(a) = 0a>3/2a > 3/2,得到臨界點為:

a=2a = 2

a(3/2,2)a \in (3/2, 2) 時, A(a)<0A'(a) < 0(面積遞減);當 a>2a > 2 時, A(a)>0A'(a) > 0(面積遞增)。 故當 a=2a = 2 時,面積函數取得絕對極小值:

A(2)=242(2(2)3)=162(1)=8A(2) = \frac{2^4}{2(2(2) - 3)} = \frac{16}{2(1)} = 8

因此,最小可能面積為 8\boxed{8}


解法二:對數求導法

思路

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  1. 同樣求得面積函數為 A(a)=a42(2a3)A(a) = \frac{a^4}{2(2a - 3)}
  2. 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: lnA(a)=4lnaln(2a3)ln2\ln A(a) = 4\ln a - \ln(2a-3) - \ln 2
  3. 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)=a42(2a3),a>32A(a) = \frac{a^4}{2(2a - 3)}, \quad a > \frac{3}{2}

兩邊取自然對數:

lnA(a)=4lnaln(2a3)ln2\ln A(a) = 4\ln a - \ln(2a - 3) - \ln 2

aa 求導:

A(a)A(a)=4a22a3=4(2a3)2aa(2a3)=6a12a(2a3)=6(a2)a(2a3)\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)}

由於 a>32a > \frac{3}{2},分母 a(2a3)>0a(2a-3) > 0,且 A(a)>0A(a) > 0。 令 A(a)=0    a2=0    a=2A'(a) = 0 \implies a - 2 = 0 \implies a = 2

a<2a < 2 時, A(a)<0A'(a) < 0;當 a>2a > 2 時, A(a)>0A'(a) > 0。 因此,當 a=2a = 2 處有局部極小值(亦為絕對極小值)。

代入原面積函數:

A(2)=242(2(2)3)=162=8A(2) = \frac{2^4}{2(2(2) - 3)} = \frac{16}{2} = \boxed{8}