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114 政大微積分 Part A 第 1 題

考題 / 轉學考微積分 / 政大 / 微積分

114學年度 · 114微積分 · 第 1 題

題目

Problem

Let f(x)=3sin(x)2+sin(x)f(x) = \frac{3\sin(x)}{2+\sin(x)}. Calculate the following limits (show your work to get the points):

(a) (5%) lim infx+f(x)\liminf_{x \to +\infty} f(x); \[2mm] (b) (5%) lim supx+f(x)\limsup_{x \to +\infty} f(x).

(1) 見解答\underline{\quad\text{見解答}\quad}.

解答

解法一

思路

展開
  1. x+x \to +\infty 時,正弦函數 sinx\sin x 並沒有單一的極限值,而是在區間 [1,1][-1, 1] 上無窮次地週期震盪。
  2. 因此,要求函數 f(x)=3sinx2+sinxf(x) = \frac{3\sin x}{2+\sin x}x+x \to +\infty 時的下極限 (lim inf\liminf)上極限 (lim sup\limsup),我們可以先分析函數 f(x)f(x) 隨著 sinx\sin x 變化時的值域範圍。
  3. 為了方便分析,我們將分式進行整理: f(x)=3sinx+662+sinx=362+sinxf(x) = \frac{3\sin x + 6 - 6}{2+\sin x} = 3 - \frac{6}{2+\sin x}
  4. 由於 sinx\sin x 的值域為 [1,1][-1, 1],我們可以依序求出分母 2+sinx2+\sin x、倒數分式以及整個 f(x)f(x) 的最小值與最大值。
  5. 由於 sinx\sin xx+x \to +\infty 的過程中會無窮次達到 11(在 x=π2+2kπx = \frac{\pi}{2} + 2k\pi 處)與 1-1(在 x=3π2+2kπx = \frac{3\pi}{2} + 2k\pi 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)f(x) 整理為常數與分數的形式,以便分析其範圍:

f(x)=3sinx2+sinx=3(2+sinx)62+sinx=362+sinxf(x) = \frac{3\sin x}{2 + \sin x} = \frac{3(2 + \sin x) - 6}{2 + \sin x} = 3 - \frac{6}{2 + \sin x}

已知對於任意實數 xx,正弦函數的範圍為:

1sinx1-1 \le \sin x \le 1

我們從此範圍出發,逐步推導 f(x)f(x) 的範圍:

  1. 分母部分(不等式各項加 22): 12+sinx31 \le 2 + \sin x \le 3
  2. 倒數部分(因為各項皆為正數,取倒數後不等號方向對調): 1312+sinx1\frac{1}{3} \le \frac{1}{2 + \sin x} \le 1
  3. 乘上常數 6-6(乘上負數,不等號方向再次對調): 662+sinx2-6 \le -\frac{6}{2 + \sin x} \le -2
  4. 加上常數 3336362+sinx32    3f(x)13 - 6 \le 3 - \frac{6}{2 + \sin x} \le 3 - 2 \implies -3 \le f(x) \le 1

由此可知,函數 f(x)f(x) 的上界為 11,下界為 3-3


求取上下極限:

  • 下極限 (lim inf\liminf): 因為當 xk=3π2+2kπx_k = \frac{3\pi}{2} + 2k\pikNk \in \mathbb{N})時,sin(xk)=1\sin(x_k) = -1,此時 f(xk)=3f(x_k) = -3。 隨著 kk \to \infty,點 xk+x_k \to +\infty,函數值會無窮次達到下界 3-3。 因此:

    lim infx+f(x)=3\liminf_{x \to +\infty} f(x) = -3
  • 上極限 (lim sup\limsup): 因為當 xk=π2+2kπx_k = \frac{\pi}{2} + 2k\pikNk \in \mathbb{N})時,sin(xk)=1\sin(x_k) = 1,此時 f(xk)=1f(x_k) = 1。 隨著 kk \to \infty,點 xk+x_k \to +\infty,函數值會無窮次達到上界 11。 因此:

    lim supx+f(x)=1\limsup_{x \to +\infty} f(x) = 1

結論: (a) lim infx+f(x)=3\displaystyle \liminf_{x \to +\infty} f(x) = -3 (b) lim supx+f(x)=1\displaystyle \limsup_{x \to +\infty} f(x) = 1