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111 政治大學微積分(應數三年級)第 1 題

考題 / 轉學考微積分 / 政大 / 微積分(應數三年級)

111學年度 · 111微積分(應數三年級) · 第 1 題

題目

Problem

  1. Evaluate the limits.

(a) (10%) lim(x,y)(0,0)x2ysiny3x4+y2\displaystyle\lim_{(x,y)\to(0,0)} \dfrac{x^2 y\sin y}{3x^4 + y^2}.

(b) (10%) limx0sin3xtan2(3x)x(1cos(5x))2\displaystyle\lim_{x\to 0} \dfrac{\sin^3 x\tan^2(3x)}{x(1-\cos(5x))^2}.

解答

(a)

解法一

思路

展開

直接代入 (0,0)(0,0)0/00/0 的不定型,且沿不同路徑趨近時分母的衰減速率可能不同,不能隨便代路徑。關鍵觀察是令 u=x2u = x^2,分母 3x4+y2=3u2+y23x^4 + y^2 = 3u^2 + y^2 成為齊次二次型,再引入橢圓極座標 u=r3cosθu = \dfrac{r}{\sqrt{3}}\cos\thetay=rsinθy = r\sin\theta,把分母統一成 r2r^2,讓整個表達式在 r0+r \to 0^+ 時的行為一目了然。

答題過程

展開

u=x2u = x^2,引入橢圓極座標:令 u=r3cosθu = \dfrac{r}{\sqrt{3}}\cos\thetay=rsinθy = r\sin\theta,則:

3u2+y2=3r23cos2θ+r2sin2θ=r23u^2 + y^2 = 3\cdot\frac{r^2}{3}\cos^2\theta + r^2\sin^2\theta = r^2

代入原式,注意 x2=u=r3cosθx^2 = u = \dfrac{r}{\sqrt{3}}\cos\theta

x2ysiny3x4+y2=r3cosθrsinθsin(rsinθ)r2=cosθsinθ3sin(rsinθ)\frac{x^2\cdot y\sin y}{3x^4+y^2} = \frac{\frac{r}{\sqrt{3}}\cos\theta\cdot r\sin\theta\cdot\sin(r\sin\theta)}{r^2} = \frac{\cos\theta\sin\theta}{\sqrt{3}}\cdot\sin(r\sin\theta)

r0+r \to 0^+ 時,sin(rsinθ)0\sin(r\sin\theta) \to 0(因為 rsinθr0|r\sin\theta| \le r \to 0),故:

lim(x,y)(0,0)x2ysiny3x4+y2=cosθsinθ30=0\lim_{(x,y)\to(0,0)}\frac{x^2 y\sin y}{3x^4+y^2} = \frac{\cos\theta\sin\theta}{\sqrt{3}}\cdot 0 = \boxed{0}

(極限值為 00,與 θ\theta 無關,故極限確實存在且等於 00。)


(b)

解法一

思路

展開

x0x \to 0 時,各三角函數都有熟悉的等價無窮小:sinxx\sin x \sim xtan3x3x\tan 3x \sim 3x1cos5x25x221 - \cos 5x \sim \dfrac{25x^2}{2}。直接把這些代換代入,把整個式子化為純 xx 的冪次相除,就能快速得到極限值,不需要動用 L’Hôpital 法則。

答題過程

展開

利用 x0x \to 0 時的等價無窮小:

sinxx,tan3x3x,1cos5x25x22\sin x \sim x, \quad \tan 3x \sim 3x, \quad 1-\cos 5x \sim \frac{25x^2}{2}

代入原式:

limx0sin3xtan2(3x)x(1cos5x)2limx0x3(3x)2x(25x22)2=limx09x5625x54=9×4625=36625\begin{align*} &\, \lim_{x\to 0}\frac{\sin^3 x\cdot\tan^2(3x)}{x\cdot(1-\cos 5x)^2} \\[4mm] \approx&\, \lim_{x\to 0}\frac{x^3\cdot(3x)^2}{x\cdot\left(\dfrac{25x^2}{2}\right)^2} \\[4mm] =&\, \lim_{x\to 0}\frac{9x^5}{\dfrac{625x^5}{4}} \\[4mm] =&\, \frac{9\times 4}{625} = \boxed{\dfrac{36}{625}} \end{align*}