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Calculus · real student question

證明 f(x) = 根號 (9x 平方減 6x 加 3) 的圖形在 x 趨近正無限大時有斜漸近線,求出它的方程式,並判斷曲線在該直線的上方還是下方。

Question

設 CC 是定義在 R\mathbb{R} 上的函數

f(x)=9x2−6x+3f(x)=\sqrt{9x^2-6x+3}

的圖形。證明 CC 在 x→+∞x\to+\infty 時有斜漸近線,求出它的方程式,並判定 CC 相對於該直線的位置。

Step-by-step solution

  1. 先檢查無限遠處的行為。 根號內的 9x2−6x+39x^2-6x+3 首項係數為正、判別式為 36−108=−72<036-108=-72<0,所以它對每個實數 xx 都是正的,ff 在整個 R\mathbb{R} 上都有定義。當 x→+∞x\to+\infty 時根號內 →+∞\to+\infty,因此 f(x)→+∞f(x)\to+\infty:圖形向上竄,唯一可能的漸近線就是一條斜線。

  2. 把根號裡的式子配方。 把 xx 的項提出 99:

    9x2−6x+3=9(x2−23x)+3=9(x−13)2−1+39x^2-6x+3=9\left(x^2-\frac{2}{3}x\right)+3=9\left(x-\frac{1}{3}\right)^2-1+3

    而 9(x−13)2=(3x−1)29\left(x-\tfrac13\right)^2=(3x-1)^2,所以

    9x2−6x+3=(3x−1)2+29x^2-6x+3=(3x-1)^2+2

    這個標準形式是關鍵一步:它把藏在根號裡的一次函數暴露出來。

  3. 由標準形式猜出漸近線。 寫成

    f(x)=(3x−1)2+2f(x)=\sqrt{(3x-1)^2+2}

    當 xx 很大時,+2+2 相對於 (3x−1)2(3x-1)^2 可以忽略,所以在 x>13x>\tfrac13 時 f(x)≈∣3x−1∣=3x−1f(x)\approx|3x-1|=3x-1。因此候選的漸近線是

    Δ: y=3x−1\Delta:\ y=3x-1

  4. 用共軛式的技巧證明它。 令 h(x)=f(x)−(3x−1)h(x)=f(x)-(3x-1)。這是 ∞−∞\infty-\infty 型,所以上下同乘共軛式:

    h(x)=[(3x−1)2+2]−(3x−1)2(3x−1)2+2+(3x−1)=2(3x−1)2+2+(3x−1)h(x)=\frac{\left[(3x-1)^2+2\right]-(3x-1)^2}{\sqrt{(3x-1)^2+2}+(3x-1)}=\frac{2}{\sqrt{(3x-1)^2+2}+(3x-1)}

    分子是常數 22,分母 →+∞\to+\infty,所以

    lim⁡x→+∞[f(x)−(3x−1)]=0\lim_{x\to+\infty}\bigl[f(x)-(3x-1)\bigr]=0

    而這恰好就是「y=3x−1y=3x-1 是 CC 在 +∞+\infty 處的漸近線」的定義。

  5. 由 hh 的正負讀出曲線的位置。 當 x>13x>\tfrac13 時分母的兩項都是正的,所以

    h(x)=2(3x−1)2+2+(3x−1)>0h(x)=\frac{2}{\sqrt{(3x-1)^2+2}+(3x-1)}>0

    因此 f(x)>3x−1f(x)>3x-1:曲線落在漸近線上方,並且從上方逼近,永遠不會碰到它。

  6. 做個總結,並補上另一端。

    y=3x−1  是 +∞  處的漸近線 Δ, C 在其上方\boxed{y=3x-1\ \text{ 是 }+\infty\ \text{ 處的漸近線 }\Delta,\ C\text{ 在其上方}}

    數值上,f(10)−29=0.0345f(10)-29=0.0345、f(104)−29999=3.33×10−5f(10^4)-29999=3.33\times 10^{-5},以 13x\tfrac{1}{3x} 的速度縮小。用 ∣3x−1∣=1−3x|3x-1|=1-3x 做同樣的計算,可得 −∞-\infty 處的漸近線是 y=−3x+1y=-3x+1,曲線同樣在它上方。

Answer

y=3x−1 (曲線位於漸近線上方)y=3x-1\ \text{(曲線位於漸近線上方)}

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