題目
Problem
Let f(x)=2+sin(x)3sin(x). Calculate the following limits (show your work to get the points):
(a) (5%) liminfx→+∞f(x); \[2mm]
(b) (5%) limsupx→+∞f(x).
(1) 見解答.
解答
解法一
思路
展開
- 當 x→+∞ 時,正弦函數 sinx 並沒有單一的極限值,而是在區間 [−1,1] 上無窮次地週期震盪。
- 因此,要求函數 f(x)=2+sinx3sinx 在 x→+∞ 時的下極限 (liminf) 與上極限 (limsup),我們可以先分析函數 f(x) 隨著 sinx 變化時的值域範圍。
- 為了方便分析,我們將分式進行整理:
f(x)=2+sinx3sinx+6−6=3−2+sinx6
- 由於 sinx 的值域為 [−1,1],我們可以依序求出分母 2+sinx、倒數分式以及整個 f(x) 的最小值與最大值。
- 由於 sinx 在 x→+∞ 的過程中會無窮次達到 1(在 x=2π+2kπ 處)與 −1(在 x=23π+2kπ 處),因此函數在趨近無窮大時,其上極限即為函數的最大值,下極限即為函數的最小值。
答題過程
展開
首先,將函數 f(x) 整理為常數與分數的形式,以便分析其範圍:
f(x)=2+sinx3sinx=2+sinx3(2+sinx)−6=3−2+sinx6
已知對於任意實數 x,正弦函數的範圍為:
−1≤sinx≤1
我們從此範圍出發,逐步推導 f(x) 的範圍:
- 分母部分(不等式各項加 2):
1≤2+sinx≤3
- 倒數部分(因為各項皆為正數,取倒數後不等號方向對調):
31≤2+sinx1≤1
- 乘上常數 −6(乘上負數,不等號方向再次對調):
−6≤−2+sinx6≤−2
- 加上常數 3:
3−6≤3−2+sinx6≤3−2⟹−3≤f(x)≤1
由此可知,函數 f(x) 的上界為 1,下界為 −3。
求取上下極限:
-
下極限 (liminf):
因為當 xk=23π+2kπ(k∈N)時,sin(xk)=−1,此時 f(xk)=−3。
隨著 k→∞,點 xk→+∞,函數值會無窮次達到下界 −3。
因此:
x→+∞liminff(x)=−3
-
上極限 (limsup):
因為當 xk=2π+2kπ(k∈N)時,sin(xk)=1,此時 f(xk)=1。
隨著 k→∞,點 xk→+∞,函數值會無窮次達到上界 1。
因此:
x→+∞limsupf(x)=1
結論:
(a) x→+∞liminff(x)=−3
(b) x→+∞limsupf(x)=1