題目
Problem
一、填充題:共8題,每題8分、總計64分。請在答案卷上列出題號並依序作答。
(2) Find the inflection points of the function
f(x)=exsinx
over the interval [0,2π]. Remind you that the inflection point is where concavity changes and it is a point on the graph.
解答
解法一
思路
展開
- 反曲點(Inflection Point)的定義:
反曲點是曲線改變凹凸性的點。這意味著在反曲點處,二階導數 f′′(x)=0 或不存在,且二階導數在此點兩側變號。
請特別注意,反曲點是圖形上的點,其答案格式應寫成座標形式 (x,y)=(x,f(x))。
- 第一步:求出函數的一階與二階導函數:
- 函數為 f(x)=exsinx。
- f′(x)=exsinx+excosx=ex(sinx+cosx)。
- f′′(x)=ex(sinx+cosx)+ex(cosx−sinx)=2excosx。
- 第二步:尋找二階導數為零的點:
- 令 f′′(x)=2excosx=0。
- 由於 2ex>0 恆成立,故必有 cosx=0。
- 在區間 [0,2π] 內,滿足 cosx=0 的點為 x=2π 與 x=23π。
- 第三步:驗證凹凸性變號:
- 在 x=2π 兩側, cosx 從正變為負(f′′(x) 從正變負,由上凹變下凹)。
- 在 x=23π 兩側, cosx 從負變為正(f′′(x) 從負變正,由下凹變上凹)。
- 故這兩點皆為反曲點。
- 第四步:計算對應的 y 座標:
- f(2π)=eπ/2sin2π=eπ/2。
- f(23π)=e3π/2sin=3π/2−e3π/2。
答題過程
展開
我們首先計算函數 f(x)=exsinx 的一階與二階導函數。
使用乘積求導法則:
f′(x)=dxd(ex)sinx+exdxd(sinx)=exsinx+excosx=ex(sinx+cosx)
再次求導:
f′′(x)===dxd(ex)(sinx+cosx)+exdxd(sinx+cosx)ex(sinx+cosx)+ex(cosx−sinx)2excosx
反曲點候選點滿足二階導數為零:
2excosx=0
因為對於所有實數 x, ex>0 恆成立,故必須有:
cosx=0
在給定區間 [0,2π] 內,解得滿足 cosx=0 的點為:
x=2π與x=23π
我們分析這兩個點兩側的二階導數符號以確認凹凸性(Concavity)的改變:
- 當 x∈[0,2π) 時: cosx>0⟹f′′(x)>0(曲線為凹向上,concave upward)。
- 當 x∈(2π,23π) 時: cosx<0⟹f′′(x)<0(曲線為凹向下,concave downward)。
- 當 x∈(23π,2π] 時: cosx>0⟹f′′(x)>0(曲線為凹向上,concave upward)。
因為 f′′(x) 在 x=2π 與 x=23π 兩側均發生了符號的改變,這兩點確實為反曲點。
接著計算這兩點在圖形上的對應 y 座標:
-
對於 x=2π:
f(2π)=eπ/2sin(2π)=eπ/2
反曲點座標為: (2π,eπ/2)。
-
對於 x=23π:
f(23π)=e3π/2sin(23π)=e3π/2(−1)=−e3π/2
反曲點座標為: (23π,−e3π/2)。
結論:
(2) 填入 (2π,eπ/2) 與 (23π,−e3π/2)。