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114 政大微積分 Part A 第 3 題

考題 / 轉學考微積分 / 政大 / 微積分

114學年度 · 114微積分 · 第 3 題

題目

Problem

Assume a real function b:RRb : \mathbb{R} \to \mathbb{R} is differentiable. Prove that

limε0+b(x+b(x)ε)b(x)ε=b(x)b(x),\lim_{\varepsilon \to 0^+} \frac{b(x + b(x)\sqrt{\varepsilon}) - b(x)}{\sqrt{\varepsilon}} = b(x)b'(x),

where b(x)= ⁣d ⁣dxb(x)b'(x) = \frac{\mathop{}\!\mathrm{d}}{\mathop{}\!\mathrm{d}x} b(x). (10%)

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

解答

解法一

思路

展開
  1. 本題給出一個極限式,其中極限變數為 ε0+\varepsilon \to 0^+,要求證明該極限等於 b(x)b(x)b(x)b'(x)
  2. 觀察極限式,分子是 b(x+增量)b(x)b(x + \text{增量}) - b(x),分母是 ε\sqrt{\varepsilon}。這與導數的定義式非常像。 導數在點 xx 的定義為: b(x)=limh0b(x+h)b(x)hb'(x) = \lim_{h \to 0} \frac{b(x+h) - b(x)}{h}
  3. 為了套用導數定義,我們可以令新變數 h=b(x)εh = b(x)\sqrt{\varepsilon}。這樣做的好處是將分子的括弧內部化為標準的 x+hx+h
  4. ε0+\varepsilon \to 0^+ 時:
    • 因為 b(x)b(x) 對於極限而言是一個與 ε\varepsilon 無關的常數,所以增量 h=b(x)ε0h = b(x)\sqrt{\varepsilon} \to 0
  5. 分類討論
    • 情況一:若 b(x)=0b(x) = 0,則分子中的 b(x+0)b(x)=0b(x + 0) - b(x) = 0。整個極限式在取極限前就是恆為 00 的常數,其極限為 00,而右式 b(x)b(x)=0b(x)=0b(x)b'(x) = 0 \cdot b'(x) = 0,等式成立。
    • 情況二:若 b(x)0b(x) \neq 0,我們可以將分母的 ε\sqrt{\varepsilon} 改寫為 hb(x)\frac{h}{b(x)},進而把極限式拆開,直接套用導數定義。

答題過程

展開

我們對自變數 xx 處的函數值 b(x)b(x) 分成兩種情況進行討論:

情況一:當 b(x)=0b(x) = 0

b(x)=0b(x) = 0 代入待證極限式的左側:

limε0+b(x+0ε)b(x)ε=limε0+b(x)b(x)ε=limε0+0ε=0\lim_{\varepsilon \to 0^+} \frac{b(x + 0 \cdot \sqrt{\varepsilon}) - b(x)}{\sqrt{\varepsilon}} = \lim_{\varepsilon \to 0^+} \frac{b(x) - b(x)}{\sqrt{\varepsilon}} = \lim_{\varepsilon \to 0^+} \frac{0}{\sqrt{\varepsilon}} = 0

而等式右側為:

b(x)b(x)=0b(x)=0b(x)b'(x) = 0 \cdot b'(x) = 0

此時左式等於右式,等式成立。


情況二:當 b(x)0b(x) \neq 0

我們引入變數代換,令:

h=b(x)εh = b(x)\sqrt{\varepsilon}

由於 b(x)b(x) 為與 ε\varepsilon 無關的實數,且 ε0+\varepsilon \to 0^+,因此:

h0h0h \to 0 \quad \text{且} \quad h \neq 0

由代換關係可將分母的 ε\sqrt{\varepsilon} 表示為:

ε=hb(x)\sqrt{\varepsilon} = \frac{h}{b(x)}

將這些代換關係寫入原極限式中,並將分母中的分式展開:

limε0+b(x+b(x)ε)b(x)ε=limh0b(x+h)b(x)hb(x)=limh0(b(x)b(x+h)b(x)h)\begin{align*} \lim_{\varepsilon \to 0^+} \frac{b(x + b(x)\sqrt{\varepsilon}) - b(x)}{\sqrt{\varepsilon}} =&\, \lim_{h \to 0} \frac{b(x + h) - b(x)}{\frac{h}{b(x)}} \\[4mm] =&\, \lim_{h \to 0} \left( b(x) \cdot \frac{b(x + h) - b(x)}{h} \right) \end{align*}

由於 b(x)b(x) 不隨 hh 改變(對於極限而言是常數),且已知 bbxx 處可微(即 limh0b(x+h)b(x)h\lim_{h\to 0}\frac{b(x+h)-b(x)}{h} 存在且等於 b(x)b'(x)),根據極限的常數倍數性質:

limh0(b(x)b(x+h)b(x)h)=b(x)limh0b(x+h)b(x)h=b(x)b(x)\begin{align*} \lim_{h \to 0} \left( b(x) \cdot \frac{b(x + h) - b(x)}{h} \right) =&\, b(x) \cdot \lim_{h \to 0} \frac{b(x + h) - b(x)}{h} \\[4mm] =&\, b(x) b'(x) \end{align*}

等式成立。

結論: 綜上所述,無論 b(x)b(x) 是否為 00,等式均成立:

limε0+b(x+b(x)ε)b(x)ε=b(x)b(x)\lim_{\varepsilon \to 0^+} \frac{b(x + b(x)\sqrt{\varepsilon}) - b(x)}{\sqrt{\varepsilon}} = b(x)b'(x)

證明完畢。