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112 政治大學微積分(應數大三) 第 1 題

考題 / 轉學考微積分 / 政大 / 微積分(應數大三)

112學年度 · 112微積分應數大三 · 第 1 題

題目

Problem

  1. Evaluate each of the following limits. If the limit does NOT exist, then state “the limit does not exist”. (1) limn(1)nn2n2+n+1\displaystyle \lim_{n \to \infty} \frac{(-1)^n n^2}{n^2 + n + 1} (10%) (2) limx4x6+7x3+1\displaystyle \lim_{x \to -\infty} \frac{\sqrt{4x^6 + 7}}{x^3 + 1} (10%) (3) lim(x,y)(0,0)2xy+3x3x2+y2\displaystyle \lim_{(x,y) \to (0,0)} \frac{2xy + 3x^3}{\sqrt{x^2 + y^2}} (10%)

解答

(1) 求解 (1)

過程

展開

我們將分子分母同除以 n2n^2

limn(1)nn2n2+n+1=limn(1)n1+1n+1n2\lim_{n \to \infty} \frac{(-1)^n n^2}{n^2 + n + 1} = \lim_{n \to \infty} \frac{(-1)^n}{1 + \frac{1}{n} + \frac{1}{n^2}}

由於當 nn \to \infty 時,分母部分 1+1n+1n211 + \frac{1}{n} + \frac{1}{n^2} \to 1。 然而,分子項 (1)n(-1)^n111-1 之間來回震盪:

  • nn 為偶數且 nn \to \infty 時,極限趨近於 11
  • nn 為奇數且 nn \to \infty 時,極限趨近於 1-1

因為左極限與右極限不一致(奇數與偶數子數列極限不同),故該極限不存在。

結論: the limit does not exist。


(2) 求解 (2)

過程

展開

這是 xx \to -\infty 的極限,為避免負號出錯,我們進行變數代換,令 y=xy = -x。當 xx \to -\infty 時,有 yy \to \infty。 我們將 x=yx = -y 代入原式中(注意 x6=(y)6=y6x^6 = (-y)^6 = y^6,且 x3=(y)3=y3x^3 = (-y)^3 = -y^3):

limx4x6+7x3+1=limy4y6+7y3+1\lim_{x \to -\infty} \frac{\sqrt{4x^6 + 7}}{x^3 + 1} = \lim_{y \to \infty} \frac{\sqrt{4y^6 + 7}}{-y^3 + 1}

由於當 y>0y > 0 時,有 y3=y6y^3 = \sqrt{y^6},我們將分子與分母同除以 y3y^3

limy4y6+7y6y3+1y3=limy4+7y61+1y3=4+01+0=21=2\lim_{y \to \infty} \frac{\frac{\sqrt{4y^6 + 7}}{\sqrt{y^6}}}{\frac{-y^3 + 1}{y^3}} = \lim_{y \to \infty} \frac{\sqrt{4 + \frac{7}{y^6}}}{-1 + \frac{1}{y^3}} = \frac{\sqrt{4 + 0}}{-1 + 0} = \frac{2}{-1} = -2

結論: 極限值為 2-2


(3) 求解 (3)

過程

展開

我們利用絕對值與不等式關係進行夾擠:

02xy+3x3x2+y2=xx2+y22y+3x20 \le \left| \frac{2xy + 3x^3}{\sqrt{x^2 + y^2}} \right| = \frac{|x|}{\sqrt{x^2 + y^2}} \cdot \left| 2y + 3x^2 \right|

對於任意 (x,y)(0,0)(x, y) \neq (0, 0),顯然有 x2=xx2+y2\sqrt{x^2} = |x| \le \sqrt{x^2 + y^2},因此:

xx2+y21\frac{|x|}{\sqrt{x^2 + y^2}} \le 1

由此可得不等式關係:

02xy+3x3x2+y22y+3x20 \le \left| \frac{2xy + 3x^3}{\sqrt{x^2 + y^2}} \right| \le \left| 2y + 3x^2 \right|

由於當 (x,y)(0,0)(x, y) \to (0, 0) 時:

lim(x,y)(0,0)2y+3x2=0\lim_{(x,y)\to(0,0)} \left| 2y + 3x^2 \right| = 0

根據夾擠定理 (Squeeze Theorem)

lim(x,y)(0,0)2xy+3x3x2+y2=0    lim(x,y)(0,0)2xy+3x3x2+y2=0\lim_{(x,y)\to(0,0)} \left| \frac{2xy + 3x^3}{\sqrt{x^2 + y^2}} \right| = 0 \implies \lim_{(x,y)\to(0,0)} \frac{2xy + 3x^3}{\sqrt{x^2 + y^2}} = 0

結論: 極限值為 00