Skip to content
CalcGospel 微積分福音
返回

112 台灣大學微積分(B) 第 2 題

考題 / 轉學考微積分 / 台灣大學 / 微積分B

112學年度 · 112台大微積分B · 第 2 題

題目

Problem

2. The curve described by x−xy+y=3x - \sqrt{xy} + y = 3 passes through the point (4,1)(4, 1). Find an equation for the tangent line to the curve at (4,1)(4, 1). (2)‾\underline{\quad (2) \quad} .

解答

解法一

思路

展開
  1. 給定隱函數曲線 x−xy+y=3x - \sqrt{xy} + y = 3,要求在點 (4,1)(4, 1) 處的切線方程式。
  2. 第一步:使用隱函數求導法求出一階導數 dydx\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}:
    • 對等式兩側關於 xx 求導: ddx(x−(xy)1/2+y)=1−12(xy)−1/2(y+xdydx)+dydx=0\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left( x - (xy)^{1/2} + y \right) = 1 - \frac{1}{2}(xy)^{-1/2} \left( y + x \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} \right) + \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} = 0
  3. 第二步:代入點 (4,1)(4, 1) 分析切線斜率 mm:
    • 此時 x=4,y=1  ⟹  xy=2x = 4, y = 1 \implies \sqrt{xy} = 2。
    • 代入求導方程式: 1−14(1+4y′)+y′=01 - \frac{1}{4}\left( 1 + 4 y' \right) + y' = 0 1−14−y′+y′=0  ⟹  34=0  ⟹  矛盾!1 - \frac{1}{4} - y' + y' = 0 \implies \frac{3}{4} = 0 \implies \text{矛盾!}
    • 為什麼會出現矛盾?因為斜率分母為 0。 我們重新整理含有 y′y' 的項: y′(1−x2xy)=y2xy−1y' \left( 1 - \frac{x}{2\sqrt{xy}} \right) = \frac{y}{2\sqrt{xy}} - 1 代入 x=4,y=1,xy=2x=4, y=1, \sqrt{xy}=2: y′(1−44)=14−1  ⟹  y′(0)=−34y' \left( 1 - \frac{4}{4} \right) = \frac{1}{4} - 1 \implies y'(0) = -\frac{3}{4}
    • 由於 y′y' 的係數為 00,而等式右側非零,這表示在此點 dydx\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} 趨向於無窮大(±∞\pm\infty)。
  4. 第三步:確定切線形式:
    • 當斜率為無窮大時,切線是一條垂直線。
    • 穿過點 (4,1)(4, 1) 的垂直線方程式為 x=4x = 4。

答題過程

展開

我們對曲線方程 x−xy+y=3x - \sqrt{xy} + y = 3 的兩側關於 xx 進行隱函數求導:

1−12xy(y+xdydx)+dydx=01 - \frac{1}{2\sqrt{xy}} \left( y + x \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} \right) + \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} = 0

我們將其展開以分離出 dydx\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} 項:

1−y2xy−x2xydydx+dydx=01 - \frac{y}{2\sqrt{xy}} - \frac{x}{2\sqrt{xy}} \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} + \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} = 0 dydx(1−x2xy)=y2xy−1\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} \left( 1 - \frac{x}{2\sqrt{xy}} \right) = \frac{y}{2\sqrt{xy}} - 1

兩側同乘以 2xy2\sqrt{xy}:

dydx(2xy−x)=y−2xy\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} \left( 2\sqrt{xy} - x \right) = y - 2\sqrt{xy}

因此一階導數為:

dydx=y−2xy2xy−x\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} = \frac{y - 2\sqrt{xy}}{2\sqrt{xy} - x}

現在,我們求切線在點 (4,1)(4, 1) 處的斜率。將 x=4, y=1x = 4, \ y = 1 代回上式:

  • 分子為: 1−24⋅1=1−4=−31 - 2\sqrt{4 \cdot 1} = 1 - 4 = -3
  • 分母為: 24⋅1−4=4−4=02\sqrt{4 \cdot 1} - 4 = 4 - 4 = 0

由於分母為 00 且分子不為 00,該點的一階導數 dydx\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} 不存在(趨向於無窮大 ±∞\pm\infty)。這表明曲線在點 (4,1)(4, 1) 處具有一條垂直切線 (Vertical Tangent Line)。

一條通過點 (4,1)(4, 1) 且斜率為無窮大的垂直線,其方程式為:

x=4x = 4

結論: (2) 處應填入 x=4x = 4。