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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+2x3−x4−x3x2−5xf(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 00: x4+2x3≥0x^4+2x^3 \ge 0 且 x4−x3≥0x^4-x^3 \ge 0。
    • 分母根號內必須嚴格大於 00(分母不能為零): x2−5x>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 = -2 和 x=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

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第一步:求定義域
  1. x4+2x3≥0  ⟹  x3(x+2)≥0  ⟹  x≥0x^4+2x^3 \ge 0 \implies x^3(x+2) \ge 0 \implies x \ge 0 或 x≤−2x \le -2。
  2. x4−x3≥0  ⟹  x3(x−1)≥0  ⟹  x≥1x^4-x^3 \ge 0 \implies x^3(x-1) \ge 0 \implies x \ge 1 或 x≤0x \le 0。
    • 以上兩者交集(分子有定義): x≥1x \ge 1 或 x≤−2x \le -2 或 x=0x = 0。
  3. 分母大於零: x2−5x>0  ⟹  x(x−5)>0  ⟹  x>5x^2-5x > 0 \implies x(x-5) > 0 \implies x > 5 或 x<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 = -2 與 x=5x = 5。

  • 對於 x→−2−x \to -2^-: 分母 (−2)2−5(−2)=14≠0\sqrt{(-2)^2 - 5(-2)} = \sqrt{14} \neq 0。 分子 16−16−16+8=−24≠0\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 x→5+x \to 5^+: 當 x>5x > 5 時,我們有:

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

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

    lim⁡x→5+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 lim⁡x→∞f(x)\lim_{x\to\infty} f(x) 與 lim⁡x→−∞f(x)\lim_{x\to-\infty} f(x)。
  2. 當 x→∞x \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. 當 x→−∞x \to -\infty:注意 x2=∣x∣=−x\sqrt{x^2} = |x| = -x。為防正負號出錯,可令 u=−x→∞u = -x \to \infty 再進行極限計算。

答題過程

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第一步:求 x→∞x \to \infty 的極限

當 x>5x > 5 時,我們化簡 f(x)f(x):

f(x)=x(x+2−x−1)x−5f(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)−(x−1))x−5(x+2+x−1)=3xx−5(x+2+x−1)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:

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

當 x→∞x \to \infty 時:

lim⁡x→∞f(x)=31⋅(1+1)=32\lim_{x\to\infty} f(x) = \frac{3}{1 \cdot (1 + 1)} = \frac{3}{2}
第二步:求 x→−∞x \to -\infty 的極限

令 u=−xu = -x,當 x→−∞x \to -\infty 時 u→+∞u \to +\infty。代入得:

f(−u)=u4−2u3−u4+u3u2+5u=u(u−2−u+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((u−2)−(u+1))u+5(u−2+u+1)=−3uu+5(u−2+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(1−2u+1+1u)= \frac{-3}{\sqrt{1+\frac{5}{u}} \left( \sqrt{1-\frac{2}{u}} + \sqrt{1+\frac{1}{u}} \right)}

當 u→∞u \to \infty 時:

lim⁡u→∞f(−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} 及 y=−32y = -\frac{3}{2}。

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