題目
Problem
Evaluate each of the following limits. If the limit does NOT exist, then state “the limit does not exist”.
(1) lim n → ∞ ( − 1 ) n n 2 n 2 + n + 1 \displaystyle \lim_{n \to \infty} \frac{(-1)^n n^2}{n^2 + n + 1} n → ∞ lim n 2 + n + 1 ( − 1 ) n n 2 (10%)
(2) lim x → − ∞ 4 x 6 + 7 x 3 + 1 \displaystyle \lim_{x \to -\infty} \frac{\sqrt{4x^6 + 7}}{x^3 + 1} x → − ∞ lim x 3 + 1 4 x 6 + 7 (10%)
(3) lim ( x , y ) → ( 0 , 0 ) 2 x y + 3 x 3 x 2 + y 2 \displaystyle \lim_{(x,y) \to (0,0)} \frac{2xy + 3x^3}{\sqrt{x^2 + y^2}} ( x , y ) → ( 0 , 0 ) lim x 2 + y 2 2 x y + 3 x 3 (10%)
解答
(1) 求解 (1)
過程
展開
我們將分子分母同除以 n 2 n^2 n 2 :
lim n → ∞ ( − 1 ) n n 2 n 2 + n + 1 = lim n → ∞ ( − 1 ) n 1 + 1 n + 1 n 2 \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}} n → ∞ lim n 2 + n + 1 ( − 1 ) n n 2 = n → ∞ lim 1 + n 1 + n 2 1 ( − 1 ) n
由於當 n → ∞ n \to \infty n → ∞ 時,分母部分 1 + 1 n + 1 n 2 → 1 1 + \frac{1}{n} + \frac{1}{n^2} \to 1 1 + n 1 + n 2 1 → 1 。
然而,分子項 ( − 1 ) n (-1)^n ( − 1 ) n 在 1 1 1 與 − 1 -1 − 1 之間來回震盪:
當 n n n 為偶數且 n → ∞ n \to \infty n → ∞ 時,極限趨近於 1 1 1 。
當 n n n 為奇數且 n → ∞ n \to \infty n → ∞ 時,極限趨近於 − 1 -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 x → − ∞ x \to -\infty x → − ∞ 的極限,為避免負號出錯,我們進行變數代換,令 y = − x y = -x y = − x 。當 x → − ∞ x \to -\infty x → − ∞ 時,有 y → ∞ y \to \infty y → ∞ 。
我們將 x = − y x = -y x = − y 代入原式中(注意 x 6 = ( − y ) 6 = y 6 x^6 = (-y)^6 = y^6 x 6 = ( − y ) 6 = y 6 ,且 x 3 = ( − y ) 3 = − y 3 x^3 = (-y)^3 = -y^3 x 3 = ( − y ) 3 = − y 3 ):
lim x → − ∞ 4 x 6 + 7 x 3 + 1 = lim y → ∞ 4 y 6 + 7 − y 3 + 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} x → − ∞ lim x 3 + 1 4 x 6 + 7 = y → ∞ lim − y 3 + 1 4 y 6 + 7
由於當 y > 0 y > 0 y > 0 時,有 y 3 = y 6 y^3 = \sqrt{y^6} y 3 = y 6 ,我們將分子與分母同除以 y 3 y^3 y 3 :
lim y → ∞ 4 y 6 + 7 y 6 − y 3 + 1 y 3 = lim y → ∞ 4 + 7 y 6 − 1 + 1 y 3 = 4 + 0 − 1 + 0 = 2 − 1 = − 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 y → ∞ lim y 3 − y 3 + 1 y 6 4 y 6 + 7 = y → ∞ lim − 1 + y 3 1 4 + y 6 7 = − 1 + 0 4 + 0 = − 1 2 = − 2
結論:
極限值為 − 2 -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:
0 ≤ ∣ 2 x y + 3 x 3 x 2 + y 2 ∣ = ∣ x ∣ x 2 + y 2 ⋅ ∣ 2 y + 3 x 2 ∣ 0 \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| 0 ≤ x 2 + y 2 2 x y + 3 x 3 = x 2 + y 2 ∣ x ∣ ⋅ 2 y + 3 x 2
對於任意 ( x , y ) ≠ ( 0 , 0 ) (x, y) \neq (0, 0) ( x , y ) = ( 0 , 0 ) ,顯然有 x 2 = ∣ x ∣ ≤ x 2 + y 2 \sqrt{x^2} = |x| \le \sqrt{x^2 + y^2} x 2 = ∣ x ∣ ≤ x 2 + y 2 ,因此:
∣ x ∣ x 2 + y 2 ≤ 1 \frac{|x|}{\sqrt{x^2 + y^2}} \le 1 x 2 + y 2 ∣ x ∣ ≤ 1
由此可得不等式關係:
0 ≤ ∣ 2 x y + 3 x 3 x 2 + y 2 ∣ ≤ ∣ 2 y + 3 x 2 ∣ 0 \le \left| \frac{2xy + 3x^3}{\sqrt{x^2 + y^2}} \right| \le \left| 2y + 3x^2 \right| 0 ≤ x 2 + y 2 2 x y + 3 x 3 ≤ 2 y + 3 x 2
由於當 ( x , y ) → ( 0 , 0 ) (x, y) \to (0, 0) ( x , y ) → ( 0 , 0 ) 時:
lim ( x , y ) → ( 0 , 0 ) ∣ 2 y + 3 x 2 ∣ = 0 \lim_{(x,y)\to(0,0)} \left| 2y + 3x^2 \right| = 0 ( x , y ) → ( 0 , 0 ) lim 2 y + 3 x 2 = 0
根據夾擠定理 (Squeeze Theorem) :
lim ( x , y ) → ( 0 , 0 ) ∣ 2 x y + 3 x 3 x 2 + y 2 ∣ = 0 ⟹ lim ( x , y ) → ( 0 , 0 ) 2 x y + 3 x 3 x 2 + y 2 = 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 ( x , y ) → ( 0 , 0 ) lim x 2 + y 2 2 x y + 3 x 3 = 0 ⟹ ( x , y ) → ( 0 , 0 ) lim x 2 + y 2 2 x y + 3 x 3 = 0
結論:
極限值為 0 0 0 。