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106 台灣大學微積分(B) 第 17 題

考題 / 轉學考微積分 / 台灣大學 / 微積分B

106學年度 · 106台大微積分B · 第 17 題

題目

Problem

Part III Solve the following problems

  1. Given a family of parabolas Pn:y=nx2+1nP_n:y=nx^2+\dfrac{1}{n}, where n∈Nn\in\mathbb{N}. Let AnA_n be the area between PnP_n and Pn+1P_{n+1}. Find the limit lim⁡n→∞Ann3\lim_{n\to\infty}\dfrac{A_n}{n^3}.

解答

解法一

思路

展開
  • 先相減,找出兩條拋物線的交點與哪一條在上方。
  • 對兩曲線的差積分求面積,再觀察其除以 n3n^3 後的極限。

答題過程

展開

兩曲線之差為

P_n-P_{n+1} =&\,\left(nx^2+\frac1n\right)-\left((n+1)x^2+\frac1{n+1}\right) \\ =&\,\frac1{n(n+1)}-x^2.

交點由此式為 00 得

x=±1n(n+1).x=\pm\frac1{\sqrt{n(n+1)}}.

在這兩點之間,Pn−Pn+1≥0P_n-P_{n+1}\ge0,故

An= ∫−1/n(n+1)1/n(n+1)(1n(n+1)−x2) dx= 43[n(n+1)]3/2.\begin{align*} A_n =&\,\int_{-1/\sqrt{n(n+1)}}^{1/\sqrt{n(n+1)}} \left(\frac1{n(n+1)}-x^2\right)\,\mathrm{d}x \\ =&\,\frac4{3[n(n+1)]^{3/2}}. \end{align*}

因此

0\le\frac{A_n}{n^3} =&\,\frac4{3n^3[n(n+1)]^{3/2}} \longrightarrow0,

故 lim⁡n→∞Ann3=0\boxed{\displaystyle\lim_{n\to\infty}\frac{A_n}{n^3}=0}。