题目
Problem
The curve C C C has equation y = f ( x ) y=f(x) y = f ( x ) , where
f ( x ) = x 3 4 x + 7 x ≥ − 7 4 f(x)=x^3\sqrt{4x+7}\qquad x\geq -\frac{7}{4} f ( x ) = x 3 4 x + 7 x ≥ − 4 7
(a) Show that
f ′ ( x ) = k x 2 ( 2 x + 3 ) 4 x + 7 f'(x)=\frac{kx^2(2x+3)}{\sqrt{4x+7}} f ′ ( x ) = 4 x + 7 k x 2 ( 2 x + 3 )
where k k k is a constant to be found.
(4)
The point P P P , shown in Figure 3, is the minimum turning point on C C C .
(b) Find the coordinates of P P P .
(2)
(c) Hence find the range of the function g g g defined by
g ( x ) = − 4 f ( x ) x ≥ − 7 4 g(x)=-4f(x)\qquad x\geq -\frac{7}{4} g ( x ) = − 4 f ( x ) x ≥ − 4 7
(2)
The point Q Q Q with coordinates ( 1 2 , 3 8 ) \left(\dfrac12,\dfrac38\right) ( 2 1 , 8 3 ) lies on C C C .
(d) Find the coordinates of the point to which Q Q Q is mapped when C C C is transformed to the curve with equation
y = 40 f ( x − 3 2 ) − 8 y=40f\left(x-\frac32\right)-8 y = 40 f ( x − 2 3 ) − 8
(2)
题目中文翻译
曲线 C C C 的方程为 y = f ( x ) y=f(x) y = f ( x ) ,其中
f ( x ) = x 3 4 x + 7 x ≥ − 7 4 f(x)=x^3\sqrt{4x+7}\qquad x\geq -\frac{7}{4} f ( x ) = x 3 4 x + 7 x ≥ − 4 7
(a) 证明
f ′ ( x ) = k x 2 ( 2 x + 3 ) 4 x + 7 f'(x)=\frac{kx^2(2x+3)}{\sqrt{4x+7}} f ′ ( x ) = 4 x + 7 k x 2 ( 2 x + 3 )
其中 k k k 是需要求出的常数。
图 3 所示的点 P P P 是曲线 C C C 上的极小值转折点。
(b) 求点 P P P 的坐标。
(c) 由此求函数 g g g 的值域,其中
g ( x ) = − 4 f ( x ) x ≥ − 7 4 g(x)=-4f(x)\qquad x\geq -\frac{7}{4} g ( x ) = − 4 f ( x ) x ≥ − 4 7
坐标为 ( 1 2 , 3 8 ) \left(\dfrac12,\dfrac38\right) ( 2 1 , 8 3 ) 的点 Q Q Q 在曲线 C C C 上。
(d) 当 C C C 被变换为方程
y = 40 f ( x − 3 2 ) − 8 y=40f\left(x-\frac32\right)-8 y = 40 f ( x − 2 3 ) − 8
所表示的曲线时,求点 Q Q Q 被映射到的点的坐标。
解答
(a)
解法一
思路
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把根式写成 ( 4 x + 7 ) 1 / 2 (4x+7)^{1/2} ( 4 x + 7 ) 1/2 ,对 x 3 ( 4 x + 7 ) 1 / 2 x^3(4x+7)^{1/2} x 3 ( 4 x + 7 ) 1/2 使用乘积法则和链式法则。随后通分并因式分解分子,使结果与题目给出的形式一致。
答题过程
展开
Write
f ( x ) = x 3 ( 4 x + 7 ) 1 2 . f(x)=x^3(4x+7)^{\frac12}. f ( x ) = x 3 ( 4 x + 7 ) 2 1 .
Using the product rule,
f ′ ( x ) = 3 x 2 ( 4 x + 7 ) 1 2 + 2 x 3 ( 4 x + 7 ) − 1 2 = 3 x 2 ( 4 x + 7 ) + 2 x 3 4 x + 7 = 7 x 2 ( 2 x + 3 ) 4 x + 7 . \begin{align*}
f'(x)
=&\,3x^2(4x+7)^{\frac12} \\
&\,+2x^3(4x+7)^{-\frac12} \\[2mm]
=&\,\frac{3x^2(4x+7)+2x^3}
{\sqrt{4x+7}} \\[2mm]
=&\,\frac{7x^2(2x+3)}
{\sqrt{4x+7}}.
\end{align*} f ′ ( x ) = = = 3 x 2 ( 4 x + 7 ) 2 1 + 2 x 3 ( 4 x + 7 ) − 2 1 4 x + 7 3 x 2 ( 4 x + 7 ) + 2 x 3 4 x + 7 7 x 2 ( 2 x + 3 ) .
Therefore,
k = 7 . \boxed{k=7}. k = 7 .
(b)
解法一
思路
展开
由 (a) 的导数求驻点。分母在定义域内部为正,而 x 2 ≥ 0 x^2\geq0 x 2 ≥ 0 ,所以导数的符号由 2 x + 3 2x+3 2 x + 3 决定;在 x = − 3 2 x=-\frac32 x = − 2 3 两侧导数由负变正,因此这是极小值点。
答题过程
展开
For an interior stationary point,
7 x 2 ( 2 x + 3 ) 4 x + 7 = 0. \frac{7x^2(2x+3)}{\sqrt{4x+7}}=0. 4 x + 7 7 x 2 ( 2 x + 3 ) = 0.
Thus,
x = 0 x=0 x = 0
or
x = − 3 2 . x=-\frac32. x = − 2 3 .
For − 7 4 < x < − 3 2 -\frac74<x<-\frac32 − 4 7 < x < − 2 3 , f ′ ( x ) < 0 f'(x)<0 f ′ ( x ) < 0 , while for x > − 3 2 x>-\frac32 x > − 2 3 , f ′ ( x ) ≥ 0 f'(x)\geq0 f ′ ( x ) ≥ 0 and is positive except at x = 0 x=0 x = 0 . Hence the derivative changes from negative to positive at x = − 3 2 x=-\frac32 x = − 2 3 , so this is the minimum turning point.
Its y y y -coordinate is
f ( − 3 2 ) = ( − 3 2 ) 3 4 ( − 3 2 ) + 7 = − 27 8 . \begin{align*}
f\bigg(-\frac32\bigg)
=&\,\bigg(-\frac32\bigg)^3
\sqrt{4\big(-\frac32\big)+7} \\[2mm]
=&\,-\frac{27}{8}.
\end{align*} f ( − 2 3 ) = = ( − 2 3 ) 3 4 ( − 2 3 ) + 7 − 8 27 .
Therefore,
P ( − 3 2 , − 27 8 ) . \boxed{P\bigg(-\frac32,-\frac{27}{8}\bigg)}. P ( − 2 3 , − 8 27 ) .
(c)
解法一
思路
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本小题必须承接 (b)。由于 f f f 的最小值为 − 27 8 -\frac{27}{8} − 8 27 ,所以 f ( x ) ≥ − 27 8 f(x)\geq-\frac{27}{8} f ( x ) ≥ − 8 27 。乘以负数 − 4 -4 − 4 时不等号反向,从而得到 g g g 的最大值;同时 f f f 向上无界,所以 g g g 向下无界。
答题过程
展开
From part (b),
f ( x ) ≥ − 27 8 . f(x)\geq-\frac{27}{8}. f ( x ) ≥ − 8 27 .
Multiplying by − 4 -4 − 4 reverses the inequality:
− 4 f ( x ) ≤ 27 2 . -4f(x)\leq\frac{27}{2}. − 4 f ( x ) ≤ 2 27 .
Since f ( x ) → ∞ f(x)\to\infty f ( x ) → ∞ as x → ∞ x\to\infty x → ∞ , g ( x ) = − 4 f ( x ) → − ∞ g(x)=-4f(x)\to-\infty g ( x ) = − 4 f ( x ) → − ∞ . Therefore, the range of g g g is
( − ∞ , 27 2 ] . \boxed{\big(-\infty,\frac{27}{2}\big]}. ( − ∞ , 2 27 ] .
(d)
解法一
思路
展开
f ( x − 3 2 ) f(x-\frac32) f ( x − 2 3 ) 把图像向右平移 3 2 \frac32 2 3 ,所以横坐标增加 3 2 \frac32 2 3 ;外面的 40 40 40 把纵坐标乘以 40 40 40 ,最后的 − 8 -8 − 8 再使纵坐标减去 8 8 8 。
答题过程
展开
The transformation
y = 40 f ( x − 3 2 ) − 8 y=40f\bigg(x-\frac32\bigg)-8 y = 40 f ( x − 2 3 ) − 8
maps a point ( x , y ) (x,y) ( x , y ) on C C C to
( x + 3 2 , 40 y − 8 ) . \bigg(x+\frac32,\,40y-8\bigg). ( x + 2 3 , 40 y − 8 ) .
Therefore,
( 1 2 , 3 8 ) ⟼ ( 1 2 + 3 2 , 40 ( 3 8 ) − 8 ) = ( 2 , 7 ) . \begin{align*}
\bigg(\frac12,\frac38\bigg)
&\longmapsto
\bigg(\frac12+\frac32,\,
40\big(\frac38\big)-8\bigg) \\[2mm]
&=\boxed{(2,7)}.
\end{align*} ( 2 1 , 8 3 ) ⟼ ( 2 1 + 2 3 , 40 ( 8 3 ) − 8 ) = ( 2 , 7 ) .