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Calculus · real student question

有多少個整數 m 使函數 f(x) = (mx − 4)/(x − m) 在區間 (0, 正無限大) 上遞增?

Question

有多少個整數參數 mm 使函數

f(x)=mx−4x−mf(x)=\frac{mx-4}{x-m}

在區間 (0,+∞)(0,+\infty) 上遞增?

Step-by-step solution

  1. 用商的微分法求導,注意分子會塌掉。

    f′(x)=m(x−m)−(mx−4)⋅1(x−m)2=mx−m2−mx+4(x−m)2=4−m2(x−m)2f'(x)=\frac{m(x-m)-(mx-4)\cdot 1}{(x-m)^2}=\frac{mx-m^2-mx+4}{(x-m)^2}=\frac{4-m^2}{(x-m)^2}

    含 xx 的項互相消掉,所以 f′f' 的分子是常數。這是 ax+bcx+d\frac{ax+b}{cx+d} 的普遍性質:它的導數符號由 ad−bcad-bc 決定,在同一支上永不改變。

  2. 把 f′f' 的正負轉成對 mm 的條件。 只要 ff 有定義,分母 (x−m)2(x-m)^2 就是正的,所以

    f′(x)>0  ⟺  4−m2>0  ⟺  −2<m<2.f'(x)>0\iff 4-m^2>0\iff -2<m<2.

    端點必須排除、不能包含:m=±2m=\pm2 會讓 f′≡0f'\equiv0,而 ff 確實塌成常數 22 或 −2-2(例如 m=2m=2 給出 2x−4x−2=2\frac{2x-4}{x-2}=2),那不是遞增。

  3. 再加上「區間必須落在同一支裡」的條件。 導數為正只能證明函數在定義域的每個連通片段上上升。點 x=mx=m 是垂直漸近線,如果它落在 (0,+∞)(0,+\infty) 裡,函數會在那裡從 +∞+\infty 跳到 −∞-\infty,於是在整個區間上就不是遞增。因此還需要

    m∉(0,+∞)⟺m≤0.m\notin(0,+\infty)\quad\Longleftrightarrow\quad m\le 0.

  4. 用 m=1m=1 看清失敗的樣子。 此時 f(x)=x−4x−1f(x)=\frac{x-4}{x-1},而 f(0.5)=7f(0.5)=7、f(2)=−2f(2)=-2。導數在 x=1x=1 兩側都是正的,函數跨過漸近線後卻下降 —— 這正是那個額外條件要攔下的陷阱。

  5. 把兩個條件取交集。

    −2<m<2andm≤0⟹−2<m≤0-2<m<2\quad\text{and}\quad m\le 0\qquad\Longrightarrow\qquad -2<m\le 0

  6. 數整數個數。 (−2, 0](-2,\,0] 裡的整數是 m=−1m=-1 與 m=0m=0,所以共有 2\mathbf{2} 個。順手驗 m=0m=0:f(x)=−4xf(x)=-\frac{4}{x},在 (0,∞)(0,\infty) 上從 −∞-\infty 往 00 上升 —— 確實遞增。

Answer

m∈(−2,0]  ⇒  m=−1, 0,  故共有 2 個整數m\in(-2,0]\;\Rightarrow\;m=-1,\,0,\;\text{故共有 }2\text{ 個整數}

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