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112 台灣大學微積分(B) 第 3 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 3 題

題目

Problem

3. The absolute maximum value of the function f(x)=x6e−2x2f(x) = x^6 e^{-2x^2} is (3)‾\underline{\quad (3) \quad}.

解答

解法一

思路

展開
  1. 本題要求連續函數 f(x)=x6e−2x2f(x) = x^6 e^{-2x^2} 在其定義域 (−∞,∞)(-\infty, \infty) 上的絕對最大值。
  2. 第一步:求一階導函數以尋找臨界點:
    • 使用乘積求導法則與連鎖律: f′(x)=6x5e−2x2+x6e−2x2(−4x)=2x5e−2x2(3−2x2)f'(x) = 6x^5 e^{-2x^2} + x^6 e^{-2x^2} (-4x) = 2x^5 e^{-2x^2}(3 - 2x^2)
    • 令 f′(x)=0  ⟹  x5(3−2x2)=0  ⟹  x=0f'(x) = 0 \implies x^5(3-2x^2) = 0 \implies x = 0 或 x=±32x = \pm \sqrt{\frac{3}{2}}。
  3. 第二步:分析臨界點函數值與邊界行為:
    • 由於對所有實數 xx, x6≥0x^6 \ge 0 且 e−2x2>0e^{-2x^2} > 0,所以 f(x)≥0f(x) \ge 0 恆成立。
    • 當 x→±∞x \to \pm\infty 時, f(x)→0f(x) \to 0。
    • 計算各臨界點的函數值:
      • f(0)=0f(0) = 0。
      • f(±32)=(32)3e−2(3/2)=278e−3=278e3f\left(\pm \sqrt{\frac{3}{2}}\right) = \left( \frac{3}{2} \right)^3 e^{-2(3/2)} = \frac{27}{8} e^{-3} = \frac{27}{8e^3}。
    • 比較大小,絕對最大值必為 278e3\frac{27}{8e^3}。

答題過程

展開

我們首先對函數 f(x)=x6e−2x2f(x) = x^6 e^{-2x^2} 求一階導函數: 利用乘積法則與連鎖律:

f′(x)= 6x5e−2x2+x6(e−2x2⋅(−4x))= 6x5e−2x2−4x7e−2x2= 2x5e−2x2(3−2x2)\begin{align*} f'(x) =&\, 6x^5 e^{-2x^2} + x^6 \left( e^{-2x^2} \cdot (-4x) \right) \\[2mm] =&\, 6x^5 e^{-2x^2} - 4x^7 e^{-2x^2} \\[2mm] =&\, 2x^5 e^{-2x^2} \left( 3 - 2x^2 \right) \end{align*}

我們令 f′(x)=0f'(x) = 0 以尋找臨界點。由於指數項 e−2x2>0e^{-2x^2} > 0 恆成立:

2x5(3−2x2)=0  ⟹  x=0或x=±322x^5 (3 - 2x^2) = 0 \implies x = 0 \quad \text{或} \quad x = \pm\sqrt{\frac{3}{2}}

我們探討函數在整個實數集上的斂散趨勢:

  1. 非負性:對於所有 x∈Rx \in \mathbb{R},有 f(x)≥0f(x) \ge 0。
  2. 無窮遠極限: lim⁡x→±∞f(x)=lim⁡x→±∞x6e2x2=0\lim_{x\to \pm\infty} f(x) = \lim_{x\to \pm\infty} \frac{x^6}{e^{2x^2}} = 0 這表明函數在無窮遠處漸近趨近於 00。

接下來計算臨界點的函數值:

  • 在 x=0x = 0 處: f(0)=0f(0) = 0
  • 在 x=±32x = \pm\sqrt{\frac{3}{2}} 處: f(±32)=((±32)2)3e−2(±32)2=(32)3e−2(32)=278e−3=278e3f\left(\pm\sqrt{\frac{3}{2}}\right) = \left( \left(\pm\sqrt{\frac{3}{2}}\right)^2 \right)^3 e^{-2\left(\pm\sqrt{\frac{3}{2}}\right)^2} = \left( \frac{3}{2} \right)^3 e^{-2\left(\frac{3}{2}\right)} = \frac{27}{8} e^{-3} = \frac{27}{8e^3}

因為 f(±3/2)=278e3>0f(\pm\sqrt{3/2}) = \frac{27}{8e^3} > 0 且無窮遠極限為 00,故此值為絕對最大值。

結論: (3) 處應填入 278e3\displaystyle \frac{27}{8e^3}。