曲线 C 的方程为 y=14x−x2y=\dfrac{1}{4x - x^2}。

  1. (i)

    求 dydx\dfrac{dy}{dx}。由此求出曲线 C 上的转折点(极值点)的 x 坐标 x=x1x = x_1,并确定其性质。

  2. (ii)

    利用微积分,求曲线 C、x 轴以及方程为 x=1x=1 和 x=x1x=x_1 的直线所围成区域的面积的精确值。

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完整解法

1(i)

1. Find the first derivative $\dfrac{dy}{dx}$ using the chain rule.

y=14x−x2=(4x−x2)−1y = \dfrac{1}{4x - x^2} = (4x - x^2)^{-1}

Using the chain rule:
dydx=−(4x−x2)−2⋅ddx(4x−x2)\dfrac{dy}{dx} = -(4x - x^2)^{-2} \cdot \dfrac{d}{dx}(4x - x^2)
dydx=−(4x−x2)−2(4−2x)\dfrac{dy}{dx} = -(4x - x^2)^{-2}(4 - 2x)
dydx=2x−4(4x−x2)2\dfrac{dy}{dx} = \dfrac{2x - 4}{(4x - x^2)^2}

2. Equate the derivative to zero to find the $x$-coordinate of the turning point.

At a turning point, dydx=0\dfrac{dy}{dx} = 0.

2x−4(4x−x2)2=0\dfrac{2x - 4}{(4x - x^2)^2} = 0
2x−4=02x - 4 = 0
2x=42x = 4
x=2x = 2

Therefore, x1=2x_1 = 2.

3. Determine the nature of the turning point using the first derivative test.

Using the first derivative test around x=2x = 2:

  • When x=1.9x = 1.9, dydx=2(1.9)−4(4(1.9)−1.92)2=−0.2(+)<0\dfrac{dy}{dx} = \dfrac{2(1.9) - 4}{(4(1.9) - 1.9^2)^2} = \dfrac{-0.2}{(+)} < 0
  • When x=2x = 2, dydx=0\dfrac{dy}{dx} = 0
  • When x=2.1x = 2.1, dydx=2(2.1)−4(4(2.1)−2.12)2=0.2(+)>0\dfrac{dy}{dx} = \dfrac{2(2.1) - 4}{(4(2.1) - 2.1^2)^2} = \dfrac{0.2}{(+)} > 0

Since the gradient changes from negative to positive as xx increases through x=2x=2, the turning point is a minimum point.

答案

dydx=2x−4(4x−x2)2\dfrac{dy}{dx} = \dfrac{2x - 4}{(4x - x^2)^2}, x1=2x_1 = 2, minimum point

1(ii)

1. Find the $x$-coordinate of the turning point, $x_1$, from part (i).

$\frac{dy}{dx} = -\frac{4 - 2x}{(4x - x^2)^2} = \frac{2x - 4}{(4x - x^2)^2}

At the turning point, dydx=0  ⟹  2x−4=0  ⟹  x1=2\frac{dy}{dx} = 0 \implies 2x - 4 = 0 \implies x_1 = 2.

2. Set up the definite integral for the area and complete the square for the denominator.

Area=∫1214x−x2 dx\text{Area} = \int_1^2 \frac{1}{4x - x^2} \, dx

Area=∫1214−(x2−4x+4) dx\phantom{\text{Area}} = \int_1^2 \frac{1}{4 - (x^2 - 4x + 4)} \, dx

Area=∫12122−(x−2)2 dx\phantom{\text{Area}} = \int_1^2 \frac{1}{2^2 - (x-2)^2} \, dx

3. Integrate using the standard formula for $\int \frac{1}{a^2-x^2} \, dx$.

=[12(2)ln⁡∣2+(x−2)2−(x−2)∣]12= \left[ \frac{1}{2(2)} \ln \left| \frac{2 + (x-2)}{2 - (x-2)} \right| \right]_1^2

=[14ln⁡∣x4−x∣]12= \left[ \frac{1}{4} \ln \left| \frac{x}{4 - x} \right| \right]_1^2

4. Evaluate the definite integral to find the exact area.

=14ln⁡(24−2)−14ln⁡(14−1)= \frac{1}{4} \ln \left( \frac{2}{4-2} \right) - \frac{1}{4} \ln \left( \frac{1}{4-1} \right)

=14ln⁡1−14ln⁡(13)= \frac{1}{4} \ln 1 - \frac{1}{4} \ln \left( \frac{1}{3} \right)

=0−14(−ln⁡3)= 0 - \frac{1}{4} (-\ln 3)

=14ln⁡3= \frac{1}{4} \ln 3

答案

14ln⁡3\frac{1}{4} \ln 3

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