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112 政治大學微積分(應數大二一) 第 1 題

考題 / 轉學考微積分 / 政大 / 微積分(應數大二一)

112學年度 · 112微積分應數大二一 · 第 1 題

題目

Problem

  1. Evaluate each of the following limits: (1) limx0x2sin(1/x)sinx\displaystyle \lim_{x \to 0} \frac{x^2 \sin(1/x)}{\sin x} (10%) (2) limx(x2+x+1x2x)\displaystyle \lim_{x \to \infty} \left( \sqrt{x^2 + x + 1} - \sqrt{x^2 - x} \right) (10%) (3) limx01cosxx2/2x4\displaystyle \lim_{x \to 0} \frac{1 - \cos x - x^2/2}{x^4} (10%)

解答

(1) 求解 (1)

過程

展開

我們對極限式進行變形:

limx0x2sin(1/x)sinx=limx0[(xsinx)(xsin(1/x))]\lim_{x \to 0} \frac{x^2 \sin(1/x)}{\sin x} = \lim_{x \to 0} \left[ \left( \frac{x}{\sin x} \right) \cdot \left( x \sin(1/x) \right) \right]

我們分別求各部分的極限:

  1. limx0xsinx=1\displaystyle \lim_{x \to 0} \frac{x}{\sin x} = 1
  2. 對於 limx0xsin(1/x)\displaystyle \lim_{x \to 0} x \sin(1/x),我們利用夾擠定理: 因為對所有 x0x \neq 0 均有 1sin(1/x)1-1 \le \sin(1/x) \le 1,所以: xxsin(1/x)x-|x| \le x \sin(1/x) \le |x| 由於 limx0(x)=limx0x=0\displaystyle \lim_{x \to 0} (-|x|) = \lim_{x \to 0} |x| = 0,根據夾擠定理,可得: limx0xsin(1/x)=0\lim_{x \to 0} x \sin(1/x) = 0

因此:

limx0x2sin(1/x)sinx=10=0\lim_{x \to 0} \frac{x^2 \sin(1/x)}{\sin x} = 1 \cdot 0 = 0

結論: 極限值為 00


(2) 求解 (2)

過程

展開

這是 \infty - \infty 型極限,我們對其進行有理化處理:

limx(x2+x+1x2x)=limx(x2+x+1x2x)(x2+x+1+x2x)x2+x+1+x2x=limx(x2+x+1)(x2x)x2+x+1+x2x=limx2x+1x2+x+1+x2x\begin{align*} \lim_{x \to \infty} \left( \sqrt{x^2 + x + 1} - \sqrt{x^2 - x} \right) =&\, \lim_{x \to \infty} \frac{\left( \sqrt{x^2 + x + 1} - \sqrt{x^2 - x} \right)\left( \sqrt{x^2 + x + 1} + \sqrt{x^2 - x} \right)}{\sqrt{x^2 + x + 1} + \sqrt{x^2 - x}} \\[4mm] =&\, \lim_{x \to \infty} \frac{(x^2 + x + 1) - (x^2 - x)}{\sqrt{x^2 + x + 1} + \sqrt{x^2 - x}} \\[4mm] =&\, \lim_{x \to \infty} \frac{2x + 1}{\sqrt{x^2 + x + 1} + \sqrt{x^2 - x}} \end{align*}

我們將分子與分母同除以 xx(注意當 x>0x > 0 時, x=x2x = \sqrt{x^2}):

limx2+1x1+1x+1x2+11x=2+01+0+0+10=21+1=1\lim_{x \to \infty} \frac{2 + \frac{1}{x}}{\sqrt{1 + \frac{1}{x} + \frac{1}{x^2}} + \sqrt{1 - \frac{1}{x}}} = \frac{2 + 0}{\sqrt{1 + 0 + 0} + \sqrt{1 - 0}} = \frac{2}{1 + 1} = 1

結論: 極限值為 11


(3) 求解 (3)

過程

展開

方法一:使用羅必達法則(L’Hôpital’s Rule)

x0x \to 0 時,此為 00\frac{0}{0} 型未定式。我們連續使用羅必達法則:

limx01cosxx2/2x4=L.H.limx0sinxx4x3=L.H.limx0cosx112x2=L.H.limx0sinx24x=124limx0sinxx=124\begin{align*} \lim_{x \to 0} \frac{1 - \cos x - x^2/2}{x^4} \stackrel{\text{L.H.}}{=}&\, \lim_{x \to 0} \frac{\sin x - x}{4x^3} \\[4mm] \stackrel{\text{L.H.}}{=}&\, \lim_{x \to 0} \frac{\cos x - 1}{12x^2} \\[4mm] \stackrel{\text{L.H.}}{=}&\, \lim_{x \to 0} \frac{-\sin x}{24x} \\[4mm] =&\, -\frac{1}{24} \lim_{x \to 0} \frac{\sin x}{x} = -\frac{1}{24} \end{align*}

方法二:使用麥克勞林級數展開(泰勒展開)

我們已知 cosx\cos xx=0x=0 處的展開式為:

cosx=1x22!+x44!x66!+\cos x = 1 - \frac{x^2}{2!} + \frac{x^4}{4!} - \frac{x^6}{6!} + \cdots

代入分子中:

1cosxx22=1(1x22+x424x6720+)x22=x424+x67201 - \cos x - \frac{x^2}{2} = 1 - \left( 1 - \frac{x^2}{2} + \frac{x^4}{24} - \frac{x^6}{720} + \cdots \right) - \frac{x^2}{2} = -\frac{x^4}{24} + \frac{x^6}{720} - \cdots

代回極限式:

limx0x424+x6720x4=limx0(124+x2720)=124\lim_{x \to 0} \frac{-\frac{x^4}{24} + \frac{x^6}{720} - \cdots}{x^4} = \lim_{x \to 0} \left( -\frac{1}{24} + \frac{x^2}{720} - \cdots \right) = -\frac{1}{24}

結論: 極限值為 124-\displaystyle \frac{1}{24}