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113 台聯大微積分(A2) 第 2 題

考題 / 轉學考微積分 / 台聯大 / 微積分A2

113學年度 · 113微積分A2 · 第 2 題

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)=exsinxf(x) = e^x \sin x

over the interval [0,2π][0, 2\pi]. 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
  1. 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)=0f''(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))(x, y) = (x, f(x))
  2. 第一步:求出函數的一階與二階導函數
    • 函數為 f(x)=exsinxf(x) = e^x\sin x
    • f(x)=exsinx+excosx=ex(sinx+cosx)f'(x) = e^x\sin x + e^x\cos x = e^x(\sin x + \cos x)
    • f(x)=ex(sinx+cosx)+ex(cosxsinx)=2excosxf''(x) = e^x(\sin x + \cos x) + e^x(\cos x - \sin x) = 2e^x\cos x
  3. 第二步:尋找二階導數為零的點
    • f(x)=2excosx=0f''(x) = 2e^x\cos x = 0
    • 由於 2ex>02e^x > 0 恆成立,故必有 cosx=0\cos x = 0
    • 在區間 [0,2π][0, 2\pi] 內,滿足 cosx=0\cos x = 0 的點為 x=π2x = \frac{\pi}{2}x=3π2x = \frac{3\pi}{2}
  4. 第三步:驗證凹凸性變號
    • x=π2x = \frac{\pi}{2} 兩側, cosx\cos x 從正變為負(f(x)f''(x) 從正變負,由上凹變下凹)。
    • x=3π2x = \frac{3\pi}{2} 兩側, cosx\cos x 從負變為正(f(x)f''(x) 從負變正,由下凹變上凹)。
    • 故這兩點皆為反曲點。
  5. 第四步:計算對應的 yy 座標
    • f(π2)=eπ/2sinπ2=eπ/2f\left(\frac{\pi}{2}\right) = e^{\pi/2}\sin\frac{\pi}{2} = e^{\pi/2}
    • f(3π2)=e3π/2sin3π/2=e3π/2f\left(\frac{3\pi}{2}\right) = e^{3\pi/2}\sin\frac{3\pi/2} = -e^{3\pi/2}

答題過程

展開

我們首先計算函數 f(x)=exsinxf(x) = e^x \sin x 的一階與二階導函數。 使用乘積求導法則:

f(x)=ddx(ex)sinx+exddx(sinx)=exsinx+excosx=ex(sinx+cosx)f'(x) = \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left(e^x\right) \sin x + e^x \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}(\sin x) = e^x \sin x + e^x \cos x = e^x(\sin x + \cos x)

再次求導:

f(x)=ddx(ex)(sinx+cosx)+exddx(sinx+cosx)=ex(sinx+cosx)+ex(cosxsinx)=2excosx\begin{align*} f''(x) =&\, \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left(e^x\right) (\sin x + \cos x) + e^x \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}(\sin x + \cos x) \\[2mm] =&\, e^x(\sin x + \cos x) + e^x(\cos x - \sin x) \\[2mm] =&\, 2e^x \cos x \end{align*}

反曲點候選點滿足二階導數為零:

2excosx=02e^x \cos x = 0

因為對於所有實數 xxex>0e^x > 0 恆成立,故必須有:

cosx=0\cos x = 0

在給定區間 [0,2π][0, 2\pi] 內,解得滿足 cosx=0\cos x = 0 的點為:

x=π2x=3π2x = \frac{\pi}{2} \quad \text{與} \quad x = \frac{3\pi}{2}

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:

  1. x[0,π2)x \in \left[0,\, \frac{\pi}{2}\right)cosx>0    f(x)>0\cos x > 0 \implies f''(x) > 0(曲線為凹向上,concave upward)。
  2. x(π2,3π2)x \in \left(\frac{\pi}{2},\, \frac{3\pi}{2}\right)cosx<0    f(x)<0\cos x < 0 \implies f''(x) < 0(曲線為凹向下,concave downward)。
  3. x(3π2,2π]x \in \left(\frac{3\pi}{2},\, 2\pi\right]cosx>0    f(x)>0\cos x > 0 \implies f''(x) > 0(曲線為凹向上,concave upward)。

因為 f(x)f''(x)x=π2x = \frac{\pi}{2}x=3π2x = \frac{3\pi}{2} 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 yy 座標:

  • 對於 x=π2x = \frac{\pi}{2}

    f(π2)=eπ/2sin(π2)=eπ/2f\left(\frac{\pi}{2}\right) = e^{\pi/2} \sin\left(\frac{\pi}{2}\right) = e^{\pi/2}

    反曲點座標為: (π2,eπ/2)\displaystyle \left( \frac{\pi}{2},\, e^{\pi/2} \right)

  • 對於 x=3π2x = \frac{3\pi}{2}

    f(3π2)=e3π/2sin(3π2)=e3π/2(1)=e3π/2f\left(\frac{3\pi}{2}\right) = e^{3\pi/2} \sin\left(\frac{3\pi}{2}\right) = e^{3\pi/2}(-1) = -e^{3\pi/2}

    反曲點座標為: (3π2,e3π/2)\displaystyle \left( \frac{3\pi}{2},\, -e^{3\pi/2} \right)

結論: (2) 填入 (π2,eπ/2)\displaystyle \left( \frac{\pi}{2},\, e^{\pi/2} \right)(3π2,e3π/2)\displaystyle \left( \frac{3\pi}{2},\, -e^{3\pi/2} \right)