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111 台灣大學微積分(C) 第 2 題

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111學年度 · 111台大微積分C · 第 2 題

題目

Problem

2. Consider the graph of the function f(x)=x4+2x3x4x3x25xf(x) = \frac{\sqrt{x^4+2x^3} - \sqrt{x^4-x^3}}{\sqrt{x^2-5x}}. (10%)

Find all vertical asymptotes. (3)\underline{\quad (3) \quad} (Hint: find the domain)

Find all horizontal asymptotes. (4)\underline{\quad (4) \quad}

解答

(a)

解法一

思路

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  1. 求定義域
    • 根號內必須大於等於 00x4+2x30x^4+2x^3 \ge 0x4x30x^4-x^3 \ge 0
    • 分母根號內必須嚴格大於 00(分母不能為零): x25x>0x^2-5x > 0
  2. 確定定義域為 (,2](5,)(-\infty, -2] \cup (5, \infty)
  3. 垂直漸近線:檢查邊界點 x=2x = -2x=5x = 5 處的單邊極限。若極限為 ±\pm\infty,則該點即為垂直漸近線。

答題過程

展開
第一步:求定義域
  1. x4+2x30    x3(x+2)0    x0x^4+2x^3 \ge 0 \implies x^3(x+2) \ge 0 \implies x \ge 0x2x \le -2
  2. x4x30    x3(x1)0    x1x^4-x^3 \ge 0 \implies x^3(x-1) \ge 0 \implies x \ge 1x0x \le 0
    • 以上兩者交集(分子有定義): x1x \ge 1x2x \le -2x=0x = 0
  3. 分母大於零: x25x>0    x(x5)>0    x>5x^2-5x > 0 \implies x(x-5) > 0 \implies x > 5x<0x < 0

綜合以上三點,函數的定義域為:

Domain(f)=(,2](5,)\text{Domain}(f) = (-\infty, -2] \cup (5, \infty)
第二步:尋找垂直漸近線

邊界候選點為 x=2x = -2x=5x = 5

  • 對於 x2x \to -2^-: 分母 (2)25(2)=140\sqrt{(-2)^2 - 5(-2)} = \sqrt{14} \neq 0。 分子 161616+8=240\sqrt{16-16} - \sqrt{16+8} = -\sqrt{24} \neq 0。 極限值為有限值,故 x=2x = -2 不是垂直漸近線。

  • 對於 x5+x \to 5^+: 當 x>5x > 5 時,我們有:

    f(x)=x(x+2x1)x5f(x) = \frac{x\left(\sqrt{x+2} - \sqrt{x-1}\right)}{\sqrt{x-5}}

    x5+x \to 5^+,分子趨近於 5(72)>05(\sqrt{7} - 2) > 0,而分母趨近於 0+0^+。 故:

    limx5+f(x)=+\lim_{x\to 5^+} f(x) = +\infty

    因此, x=5x = 5 為垂直漸近線。

故 (3) 處應填入 x=5\displaystyle\boxed{x = 5}


(b)

解法一

思路

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  1. 水平漸近線需計算 limxf(x)\lim_{x\to\infty} f(x)limxf(x)\lim_{x\to-\infty} f(x)
  2. xx \to \infty:分子提取 x2x^2,分母提取 xx,並利用分子有理化(乘共軛項)來消除未定式。
  3. xx \to -\infty:注意 x2=x=x\sqrt{x^2} = |x| = -x。為防正負號出錯,可令 u=xu = -x \to \infty 再進行極限計算。

答題過程

展開
第一步:求 xx \to \infty 的極限

x>5x > 5 時,我們化簡 f(x)f(x)

f(x)=x(x+2x1)x5f(x) = \frac{x\left(\sqrt{x+2} - \sqrt{x-1}\right)}{\sqrt{x-5}}

分子乘以共軛項有理化:

f(x)=x((x+2)(x1))x5(x+2+x1)=3xx5(x+2+x1)f(x) = \frac{x\left((x+2) - (x-1)\right)}{\sqrt{x-5}\left(\sqrt{x+2} + \sqrt{x-1}\right)} = \frac{3x}{\sqrt{x-5}\left(\sqrt{x+2} + \sqrt{x-1}\right)}

分子分母同時除以 xx

=315x(1+2x+11x)= \frac{3}{\sqrt{1-\frac{5}{x}} \left( \sqrt{1+\frac{2}{x}} + \sqrt{1-\frac{1}{x}} \right)}

xx \to \infty 時:

limxf(x)=31(1+1)=32\lim_{x\to\infty} f(x) = \frac{3}{1 \cdot (1 + 1)} = \frac{3}{2}
第二步:求 xx \to -\infty 的極限

u=xu = -x,當 xx \to -\inftyu+u \to +\infty。代入得:

f(u)=u42u3u4+u3u2+5u=u(u2u+1)u+5f(-u) = \frac{\sqrt{u^4-2u^3} - \sqrt{u^4+u^3}}{\sqrt{u^2+5u}} = \frac{u\left(\sqrt{u-2} - \sqrt{u+1}\right)}{\sqrt{u+5}}

分子有理化:

=u((u2)(u+1))u+5(u2+u+1)=3uu+5(u2+u+1)= \frac{u\left((u-2) - (u+1)\right)}{\sqrt{u+5}\left(\sqrt{u-2} + \sqrt{u+1}\right)} = \frac{-3u}{\sqrt{u+5}\left(\sqrt{u-2} + \sqrt{u+1}\right)}

分子分母同時除以 uu

=31+5u(12u+1+1u)= \frac{-3}{\sqrt{1+\frac{5}{u}} \left( \sqrt{1-\frac{2}{u}} + \sqrt{1+\frac{1}{u}} \right)}

uu \to \infty 時:

limuf(u)=31(1+1)=32\lim_{u\to\infty} f(-u) = \frac{-3}{1 \cdot (1 + 1)} = -\frac{3}{2}

故水平漸近線為 y=32y = \frac{3}{2}y=32y = -\frac{3}{2}

故 (4) 處應填入 y=±32\displaystyle\boxed{y = \pm \frac{3}{2}}