2021年2月16日 星期二

韓劇《女神降臨》(여신강림,2020)第4集中的函數極限問題

        最近朋友C推薦我看了部韓劇《女神降臨》,劇中的環境很大一部份發生於校園之內,自然就有上課的橋段,作為一個數學老師,當然會特別注意裡頭的數學課情節。在第四集裡,數學老師叫了男主角李修豪(車銀優飾)、女配角姜秀貞(朴柔娜飾)、女主角任朱靜(文佳煐飾)上台解題,我把這一幕截圖了下來:

左:姜秀貞;右:李修豪

左:李修豪;右:任朱靜

我將這三道題目抄錄下來:

 1. $\displaystyle \lim_{x \rightarrow 0} \frac{f(x)}{x} = -2, \lim_{x \rightarrow 0} \frac{x + f(x)}{x - f(x)}=?$

2. $\displaystyle f(x) = \left\{\begin{array}{l}2, x < 1 \\ x^2 + a, x \ge 1 \end{array}  \right., \lim_{x \rightarrow 1} f(x) = b, a+b=?$

3. $\displaystyle \frac{2}{x+3} \le \frac{f(x)}{x^2} \le \frac{4}{2x+1}, \lim_{x \rightarrow \infty} \frac{f(x)}{x}=?$

以下是這三道題目的解法。 

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1. $\displaystyle \lim_{x \rightarrow 0} \frac{f(x)}{x} = -2, \lim_{x \rightarrow 0} \frac{x + f(x)}{x - f(x)}=?$

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[解].

這題要考的是極限的四則運算:

$$\lim_{x \rightarrow 0} \frac{x + f(x)}{x - f(x)} = \lim_{x \rightarrow 0} \frac{1 + \frac{f(x)}{x}}{1 - \frac{f(x)}{x}} = \frac{1 + (-2)}{1 - (-2)} = \frac{-1}{3}.$$

難度頗低,叫劇中設定為全校第二名的女配角來做,好像大材小用。

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2. $\displaystyle f(x) = \left\{\begin{array}{l}2, x < 1 \\ x^2 + a, x \ge 1 \end{array}  \right., \lim_{x \rightarrow 1} f(x) = b, a+b=?$

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[解].

這題考的是分段函數的左右極限。首先因為$\displaystyle \lim_{x \rightarrow 1} f(x) = b$,所以函數在$x = 1$的左極限$\displaystyle \lim_{x \rightarrow 1-} f(x)$也是$b$,而根據題目函數的定義,左極限$\displaystyle \lim_{x \rightarrow 1-} f(x)$又是$2$,所以得$b = 2$。

接著從$\displaystyle \lim_{x \rightarrow 1} f(x) = b = 2$,所以函數在$x = 1$的右極限$\displaystyle \lim_{x \rightarrow 1+} f(x) = 2$。再根據題目函數的定義,右極限$\displaystyle \lim_{x \rightarrow 1+} f(x)$是$1 + a$,所以得$a = 1$。

因此題目所求$a + b = 1$。這題寫起來不難,但解釋起來有點麻煩。

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3. $\displaystyle \frac{2}{x+3} \le \frac{f(x)}{x^2} \le \frac{4}{2x+1}, \lim_{x \rightarrow \infty} \frac{f(x)}{x}=?$

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[解].

這題考的是夾擠定理。首先因為要討論的是$x \rightarrow \infty$時的函數的性狀,所以必定有$x > 0$。接著對題目所給的不等式$\frac{2}{x+3} \le \frac{f(x)}{x^2} \le \frac{4}{2x+1}$進行變形,同時乘以$x$,得

$$\frac{2x}{x+3} \le \frac{f(x)}{x} \le \frac{4x}{2x+1}.$$

(注意同乘以正數$x$會讓不等式保持順序)由於$\displaystyle \lim_{x \rightarrow \infty} \frac{2x}{x+3} = 2$,且$\displaystyle \lim_{x \rightarrow \infty} \frac{4x}{2x+1} = 2$,所以由夾擠定理得

$$\lim_{x \rightarrow \infty} \frac{f(x)}{x} = 2.$$

我覺得這比第1題難啊...編劇安排笨蛋女主角來做,根本虐菜吧呵呵。

2021年1月22日 星期五

2016高雄中學科學班方程式正整數解問題

=問題= 

設$x>y$,求方程式$x^2+y^2=208(x-y)$的所有正整數解。

=解答=

首先由題目條件$x^2 + y^2 = 208(x - y)$得

$$x^2 + 2xy + y^2 = 208(x-y) + 2xy,$$

於是

$$(x+y)^2 = 2 [104(x - y) + xy],$$

這表示$(x+y)^2$是偶數,於是$x+y$是偶數。那麼可令$x+y = 2m$,代回得

$$4m^2 = 2 [104(x-y) + xy],$$

$$xy = 2[m^2 - 52(x-y)],$$

所以$xy$也是偶數。由此可知$x, y$之中至少其一必為偶數。再由$x+y$為偶數可知,$x, y$有相同的奇偶性,故$x, y$必同為偶數。


現在命$x = 2a, y = 2b$,代回$x^2 + y^2 = 208(x-y)$得

$$4a^2 +4b^2 = 208 \cdot 2(a - b),$$

$$a^2 + b^2 = 104(a - b).$$

仿以上的討論,可知$a, b$必同為偶數,再命$a = 2c, b = 2d$,得

$$c^2 + d^2 = 52(c - d).$$

續行此法,得

$$c = 2e, d = 2f,$$

$$e^2 + f^2 = 26(e - f),$$

$$e = 2g, f = 2h,$$

$$g^2 + h^2 = 13(g - h).$$

至此無法再按同格式化簡。注意$x = 2^4g, y = 2^4h$。我們對上式進行變形,

$$g^2 - h^2 + 2h^2 = 13(g - h),$$

$$2h^2 = (g - h)(13 - g - h).$$

利用算幾不等式有

$$\frac{(g - h) + (13 - g - h)}{2} \ge \sqrt{(g-h)(13 - g -h)},$$

整理得

$$\frac{13 -2h}{2} \ge \sqrt{2h^2},$$

$$2\sqrt{2}h \le 13 - 2h,$$

$$h \le \frac{13}{2\sqrt{2} + 2} = \frac{13(\sqrt{2} - 1)}{2} \approx 2.692.$$

所以$h$可能為1或2。


若$h  =1$,則

$$g^2 + 1 = 13(g - 1),$$

解得

$$g = \frac{13 \pm \sqrt{143}}{2} \notin \mathbb{Z}.$$

是以$h \ne 1$。


若$h = 2$,則

$$g^2 + 4 = 13(g - 2),$$

解得

$$g = 3 \quad 或\quad 10.$$

反推可知

$$(x, y) = (48, 32) \quad 或 \quad (160, 32).$$

=附記=

這是2017年3月17日寫的舊文,一直沒有打字,只是用照片的方式把解答貼在臉書粉絲頁。這幾天整理照片,覺得當時的解法還是頗有趣味,既用了整除性的討論,還用了算幾不等式估計範圍,應該打字下來做紀錄。


2021年1月16日 星期六

107指考數甲的平面向量決定區域的函數最大值問題

=問題= 

座標平面上,若$A(2, 3)$與$B(-1, 3)$兩點,並設$O$為原點,令$E$為滿足$\overrightarrow{OP} = a\overrightarrow{OA}+b\overrightarrow{OB}$的所有點$P$所形成的區域,其中$-1 \le a \le 1, 0 \le b \le 4$。考慮函數$f(x) = x^2+5$,試問當限定x為區域$E$中的點$P(x, y)$的橫座標時,$f(x)$的最大值為何?

=解答=

首先將$P$的x座標用$a, b$表示出來:

$$\overrightarrow{OP} = \left[ \begin{array}{c} x \\ y \end{array} \right],$$

$$\overrightarrow{OP} = a\overrightarrow{OA} +b\overrightarrow{OB} = a\left[ \begin{array}{c} 2  \\ 3 \end{array} \right] + b\left[ \begin{array}{c} -1 \\ 3 \end{array} \right] = \left[ \begin{array}{c} 2a-b \\ 3a+3b \end{array} \right],$$

得

$$x = 2a-b.$$

由$a, b$的限制條件有

$$-2 \le 2a \le 2,$$

與

$$-4 \le -b \le 0.$$

於是

$$-6 \le 2a - b \le 2,$$

即

$$-6 \le x \le 2.$$

所以有

$$0 \le x^2 \le 36.$$

因此

$$5 \le x^2 + 5 \le 41.$$

得最大值為41。

=附註=

本題我本來打算把圖畫出來,但發現容易畫錯,因為4倍的$\overrightarrow{OB}$的數字太大,圖不容易畫。後來決定換個方式,直接考慮代數的方式來處理。而我便叫育嫆別用畫圖的方式做。

108指考數乙的平面向量與行列式計算面積問題

=問題= 

考慮座標平面上相異五點$O, A, B, C, D$。已知向量$\overrightarrow{OC} = 3\overrightarrow{OA}, \overrightarrow{OD} = 3\overrightarrow{OB}$,且向量$\overrightarrow{AB}$的座標表示為$\overrightarrow{AB} = \left[ \begin{array}{c} 3 \\ -4 \end{array} \right]$。試回答下列問題:

(1) 試以座標表示$\overrightarrow{DC}$。

(2) 若$\overrightarrow{OA} = \left[ \begin{array}{c} 1 \\ 2 \end{array} \right]$,試利用二階行列式與面積的關係,求$\triangle OCD$的面積。

=解答=

(1) 利用向量分解,得

$$\overrightarrow{DC} = \overrightarrow{DO} + \overrightarrow{OC} = \overrightarrow{OC} - \overrightarrow{OD} = 3\overrightarrow{OA} - 3\overrightarrow{OB} = 3(\overrightarrow{OA} - \overrightarrow{OB}) = 3(\overrightarrow{OA}+\overrightarrow{BO}) = 3\overrightarrow{BA} = -3\overrightarrow{AB} = \left[ \begin{array}{c} -9 \\ 12 \end{array} \right].$$

(2) 先求出$\overrightarrow{OB}$,

$$\overrightarrow{OB} = \overrightarrow{OA} + \overrightarrow{AB} = \left[ \begin{array}{c} 1 \\ 2 \end{array} \right] + \left[ \begin{array}{c} 3 \\ -4 \end{array} \right] = \left[ \begin{array}{c} 4 \\ -2 \end{array} \right].$$

於是

$$\overrightarrow{OC} = 3\overrightarrow{OA} = 3\left[ \begin{array}{c} 1 \\ 2 \end{array} \right] = \left[ \begin{array}{c} 3 \\ 6 \end{array} \right],$$

$$\overrightarrow{OD} = 3\overrightarrow{OB} = 3 \left[ \begin{array}{c} 4 \\ -2 \end{array} \right] =  \left[ \begin{array}{c} 12 \\ -6 \end{array} \right].$$

因此

$$\triangle OCD = \frac{1}{2} \left| \det (\overrightarrow{OC}, \overrightarrow{OD}) \right| = \frac{1}{2} |\left| \begin{array}{cc} 3 & 12 \\ 6 & -6 \end{array} \right|| = 45.$$

108學測的平面向量夾角問題

=問題= 

如圖,$A, B, C, D$為平面上的四個點。已知$\overrightarrow{BC} = \overrightarrow{AB}+\overrightarrow{AD}$,$\overrightarrow{AC}, \overrightarrow{BD}$兩向量等長且互相垂直,則$\tan \angle BAD$為何?

=解答=

設$\overline{AC}$與$\overline{BD}$的交點為$O$,再設$\overline{AC}$與$\overline{BD}$的長度皆為$h$,而$\overline{OA} = a, \overline{OB} = b$。

將此圖形放置於平面坐標上,使$O$為原點,$\overline{AC}$與x軸重合。於是各點的座標分別為$A=(-a, 0), C=(h-a, 0), B=(0, -b), D=(0, h-b)$。所以得

$$\overrightarrow{BC} = \left[ \begin{array}{c} h-a \\ b \end{array} \right], \overrightarrow{AB} = \left[ \begin{array}{c} a \\ -b \end{array} \right], \overrightarrow{AD} = \left[ \begin{array}{c} a \\ h-b \end{array} \right].$$

由$\overrightarrow{BC} = \overrightarrow{AB} + \overrightarrow{AD}$得

$$ \left[ \begin{array}{c} h-a \\ b \end{array} \right] = \left[ \begin{array}{c} a \\ -b \end{array} \right] + \left[ \begin{array}{c} a \\ h-b \end{array} \right],$$

於是有$a = \frac{1}{3}h, b = \frac{1}{3}h$。所以

$$\overrightarrow{AB} = \left[ \begin{array}{c} \frac{1}{3}h \\ \frac{-1}{3}h \end{array} \right], \overrightarrow{AD} = \left[ \begin{array}{c} \frac{1}{3}h \\ \frac{2}{3}h \end{array} \right].$$

故

$$\cos \angle (\overrightarrow{AB}, \overrightarrow{AD}) = \frac{1 \cdot 1 + (-1) \cdot 2}{\sqrt{1^2+(-1)^2} \cdot \sqrt{1^2 +2^2}} = \frac{-1}{\sqrt{10}}.$$

從而$\sin \angle BAD = +\sqrt{1 - \left( \frac{-1}{\sqrt{10}} \right)^2} = \frac{3}{\sqrt{10}}$,且

$$\tan \angle BAD = \frac{\frac{3}{\sqrt{10}}}{\frac{-1}{\sqrt{10}}} = -3.$$

=附註=

題目既然給了兩向量互相垂直,直接設座標應該是最快的想法,剩下的只要計算細心即可。也有別位老師給出其他作法,如

但這實在是太麻煩,沒必要搞那麼複雜。

=拋磚引玉=

>文華高中陳瑋岳老師

臉書的朋友,台中文華高中陳瑋岳老師提供了另一個作法,如下所示:

陳瑋岳老師的真跡

>高雄湯氏數學

一樣也是我的臉書朋友,高雄湯氏數學補習班的湯茗富老師亦提供了一個作法,如下圖所示:

湯茗富老師的真跡

我實在很幸運,有這些數學教育界的朋友,彼此互相激盪腦力,一起為台灣的數學教育打拼。

108指考數甲的平面向量問題

=問題= 

座標平面上以原點O為圓心的單位圓上三相異點$A, B, C$滿足$2\overrightarrow{OA} + 3\overrightarrow{OB} + 4\overrightarrow{OC} = \overrightarrow{0}$,其中A點的座標為$(1, 0)$。試選出正確的選項。(多選)

(A) 向量$2\overrightarrow{OA} + 3\overrightarrow{OB}$的長度為4。

(B) 向量內積$\overrightarrow{OA} \cdot \overrightarrow{OB} < 0$。

(C) $\angle BOC, \angle AOC, \angle AOB$中,以$\angle BOC$的度數為最小。

(D) $\overline{AB} > \frac{3}{2}$。

(E) $3 \sin \angle AOB = 4 \sin \angle AOC$。

=解答=

(A) $|2 \overrightarrow{OA} + 3\overrightarrow{OB}| = |-4\overrightarrow{OC}| = |-4| \cdot |\overrightarrow{OC}| = 4 \cdot 1 = 4$,正確。

(B) 由(A)有$|2\overrightarrow{OA} + 3\overrightarrow{OC}| = 4$,於是根據長度與內積的關係得

$$\sqrt{(2\overrightarrow{OA} + 3\overrightarrow{OB})\cdot (2\overrightarrow{OA} + 3\overrightarrow{OB})} = 4,$$

整理得

$$4|\overrightarrow{OA}|^2 + 12 \overrightarrow{OA} \cdot \overrightarrow{OB} + 9|\overrightarrow{OB}|^2 = 16,$$

注意$|\overrightarrow{OA}| = 1$且$|\overrightarrow{OB}| = 1$,所以$\overrightarrow{OA} \cdot \overrightarrow{OB} = \frac{1}{4} > 0$,所以(B)錯誤。

(C) 仿(B)之作法,由$|2\overrightarrow{OA} + 4\overrightarrow{OC}| = 3$得$\overrightarrow{OA} \cdot \overrightarrow{OC} = \frac{-11}{16}$;由$|3\overrightarrow{OB} + 4\overrightarrow{OC}| = 2$得$\overrightarrow{OB} \cdot \overrightarrow{OC} = \frac{-7}{8}$。

由於$\overrightarrow{OA}, \overrightarrow{OB}, \overrightarrow{OC}$都是單位向量,故內積的計算結果即為其夾角之餘弦值:

$$\cos \angle AOB = \overrightarrow{OA} \cdot \overrightarrow{OB} = \frac{1}{4},$$

$$\cos \angle BOC = \overrightarrow{OB} \cdot \overrightarrow{OC} = \frac{-7}{8},$$

$$\cos \angle COA = \overrightarrow{OC} \cdot \overrightarrow{OA} = \frac{-11}{16}.$$

因此可知$\angle AOB < \angle COA < \angle BOC$。所以(C)錯誤。

(D) 因為

$$\begin{eqnarray*} \overline{AB} &=& |\overrightarrow{AB}| = |\overrightarrow{OB} - \overrightarrow{OA}| = \sqrt{(\overrightarrow{OB} - \overrightarrow{OA}) \cdot (\overrightarrow{OB} - \overrightarrow{OA})} = \sqrt{|\overrightarrow{OB}|^2 - 2 \overrightarrow{OB} \cdot \overrightarrow{OA} + |\overrightarrow{OA}|^2} \\ &=& \sqrt{1 - 2\cdot \frac{1}{4} + 1} = \sqrt{\frac{3}{2}}, \end{eqnarray*}$$

所以(D)錯誤。

(E) 由於

$$\sin \angle AOB = +\sqrt{1 - \cos^2 \angle AOB} = \sqrt{1 - \left( \frac{1}{4} \right)^2} = \frac{\sqrt{15}}{4},$$

與

$$\sin \angle AOC = +\sqrt{1 - \cos^2 \angle AOC} = \sqrt{1 - \left( \frac{-11}{16} \right)^2} = \frac{3\sqrt{15}}{16}.$$

得

$$3 \sin \angle AOB = 3 \cdot \frac{\sqrt{15}}{4} = \frac{3\sqrt{15}}{4} = 4 \cdot \frac{3\sqrt{15}}{16} = 4 \sin \angle AOC.$$

故(E)正確。

2021年1月15日 星期五

圓方程式與平面向量的一個問題

 =問題=

學校教官來到圓形公園進行大地尋寶課程,教官發給同學一份圓形公園的平面地圖,地圖上給了三個提示:

第一,將此圓形公園的方程式設為$C: (x+2)^2+(y-4)^2=25$且寶物就藏在地圖中的$P$點;

第二,請移動至地圖上的大樹$A$點處拿取第二個提示;

第三,請移動至地圖上的雕像$B$點拿取第三個提示。

欣茹至$A, B$兩處拿到的分別為$\overrightarrow{AP} = \left[ \begin{array}{c} 2 \\ -10 \end{array} \right], \overrightarrow{BP} = \left[ \begin{array}{c} 10 \\ -4 \end{array} \right]$。已知$A, B$兩點均在圓周上,請問寶藏地點$P$的座標為何?

=解答=

圓$C$的圓心為$C=(-2, 4)$,半徑為5。

計算$\overrightarrow{AB}$如下:

$$\overrightarrow{AB} = \overrightarrow{AP} - \overrightarrow{BP} =  \left[ \begin{array}{c} 2 \\ -10 \end{array} \right] -  \left[ \begin{array}{c} 10 \\ -4 \end{array} \right] =  \left[ \begin{array}{c} -8 \\ -6 \end{array} \right],$$

於是可知$|\overrightarrow{AB}| = 10$,故可斷定$A, B$為直徑兩端點。再由圓參數式可假設

$$A = (-2 + 5 \cos \theta, 4 + 5 \sin \theta), B = (-2 - 5 \cos \theta, 4 - 5 \sin \theta).$$

再假設$P$點座標為$(p_1, p_2)$,於是代回題目所給$\overrightarrow{AP}$與$\overrightarrow{BP}$可得

$$\overrightarrow{AP} = \left[ \begin{array}{c} p_1 - (-2 + 5 \cos \theta) \\ p_2 - (4 + 5 \sin \theta) \end{array} \right] = \left[ \begin{array}{c} 2 \\ -10 \end{array} \right],$$

及

$$\overrightarrow{BP} = \left[ \begin{array}{c} p_1 - (-2 - 5 \cos \theta) \\ p_2 - (4 - 5 \sin \theta) \end{array} \right] = \left[ \begin{array}{c} 10 \\ -4 \end{array} \right].$$

重新整理,可得兩組二元一次方程式:

$$\left\{ \begin{array}{l} p_1 + 2 - 5 \cos \theta = 2 \\ p_1 + 2 + 5 \cos \theta = 10 \end{array} \right. \quad 與 \quad \left\{ \begin{array}{l} p_2 - 4 - 5 \sin \theta = -10 \\ p_2 - 4 + 5 \sin \theta = -4 \end{array} \right. .$$

便可解出$p_1 = 4, p_2 = -3$,即$P$之座標為$(4, -3)$。

=附註=

育嫆說:

所以看來我給的解法不是那麼友善...但我也沒想出其他作法,傷腦筋喔!