Skip to content
CalcGospel 微積分福音
返回

114 台大微積分 C 第 1 題

考題 / 轉學考微積分 / 台大 / 微積分C

114學年度 · 114微積分C · 第 1 題

題目

Problem

Evaluate.

(1) limx1x+7321x=(1)\displaystyle \lim_{x \to 1} \frac{\sqrt[3]{x+7}-2}{1-\sqrt{x}} = \underline{\quad(1)\quad}.

(2) limxxtanπxtan1xπ=(2)\displaystyle \lim_{x \to \infty} x \tan \frac{\pi}{x} \tan^{-1} \frac{x}{\pi} = \underline{\quad(2)\quad}.

解答

(1)

解法一:有理化

思路

展開
  1. 這題是不定式 00\frac{0}{0},式子中包含根式相減,因此使用有理化。
  2. 分子是三次根式差,分母是平方根式差,可以分別使用立方差與平方差的有理化。
  3. 有理化後會出現共同因子 x1x-1,消掉後即可代入。

答題過程

展開

先處理分子。

由於

a3b3=(ab)(a2+ab+b2)\begin{align*} a^3-b^3=(a-b)(a^2+ab+b^2) \end{align*}

移項可得

ab=a3b3a2+ab+b2\begin{align*} a-b=\frac{a^3-b^3}{a^2+ab+b^2} \end{align*}

這裡 a=x+73a=\sqrt[3]{x+7}b=2b=2

x+732=(x+7)8(x+7)2/3+2(x+7)1/3+4=x1(x+7)2/3+2x+73+4\begin{align*} &\,\sqrt[3]{x+7}-2\\[4mm] =&\, \frac{(x+7)-8}{(x+7)^{2/3}+2(x+7)^{1/3}+4} \\[4mm] =&\, \frac{x-1}{(x+7)^{2/3}+2\sqrt[3]{x+7}+4} \end{align*}

再處理分母:

1x=(1x)(1+x)1+x=1x1+x=x11+x\begin{align*} 1-\sqrt{x} =&\, \frac{(1-\sqrt{x})(1+\sqrt{x})}{1+\sqrt{x}} \\[4mm] =&\, \frac{1-x}{1+\sqrt{x}} \\[4mm] =&\, -\frac{x-1}{1+\sqrt{x}} \end{align*}

所以原極限為

limx1x+7321x=limx1x1(x+7)2/3+2x+73+4x11+x=limx11+x(x+7)2/3+2x+73+4=1+14+22+4=16\begin{align*} &\, \lim_{x \to 1} \frac{\sqrt[3]{x+7}-2}{1-\sqrt{x}} \\[4mm] =&\, \lim_{x\to 1} \frac{\frac{x-1}{(x+7)^{2/3}+2\sqrt[3]{x+7}+4}} {-\frac{x-1}{1+\sqrt{x}}} \\[4mm] =&\, \lim_{x\to 1} -\frac{1+\sqrt{x}}{(x+7)^{2/3}+2\sqrt[3]{x+7}+4} \\[4mm] =&\, -\frac{1+1}{4+2\cdot 2+4} \\[4mm] =&\, -\frac{1}{6} \end{align*}

因此第 (1) 格答案為 16-\frac{1}{6}

解法二:羅必達法則

思路

展開
  1. 代入 x=1x=1 後分子分母都為 00
  2. 分子分母在 x=1x=1 附近可導,且分母導數在 x=1x=1 不為 00,可直接使用羅必達法則。

答題過程

展開 limx1x+7321x=Llimx113(x+7)2/312x=1382/312=11212=16\begin{align*} &\,\lim_{x \to 1} \frac{\sqrt[3]{x+7}-2}{1-\sqrt{x}} \\[4mm] \overset{L}{=}&\, \lim_{x \to 1} \frac{\frac{1}{3}(x+7)^{-2/3}}{-\frac{1}{2\sqrt{x}}} \\[4mm] =&\, \frac{\frac{1}{3}\cdot 8^{-2/3}}{-\frac{1}{2}} \\[4mm] =&\, \frac{\frac{1}{12}}{-\frac{1}{2}} \\[4mm] =&\, -\frac{1}{6} \end{align*}

(2)

解法一:拆成兩個基本極限

思路

展開
  1. 這個乘積中,tan1xπ\tan^{-1}\frac{x}{\pi} 會趨近 π2\frac{\pi}{2}
  2. 另一部分 xtanπxx\tan\frac{\pi}{x} 則可利用 tanuu\tan u\sim u
  3. 兩個極限都存在,所以乘起來即可。

答題過程

展開

先看第一個因子:

limxxtanπx=limxπtanπxπx=π\begin{align*} \lim_{x\to\infty}x\tan\frac{\pi}{x} =&\, \lim_{x\to\infty}\pi\cdot \frac{\tan\frac{\pi}{x}}{\frac{\pi}{x}} \\[4mm] =&\, \pi \end{align*}

再看第二個因子:

limxtan1xπ=π2\begin{align*} \lim_{x\to\infty}\tan^{-1}\frac{x}{\pi} =\frac{\pi}{2} \end{align*}

因此

limxxtanπxtan1xπ=ππ2=π22\begin{align*} &\, \lim_{x \to \infty} x \tan \frac{\pi}{x} \tan^{-1} \frac{x}{\pi} \\[4mm] =&\, \pi\cdot \frac{\pi}{2} \\[4mm] =&\, \frac{\pi^2}{2} \end{align*}

所以第 (2) 格答案為 π22\frac{\pi^2}{2}

解法二:變數代換

思路

展開
  1. u=πxu=\frac{\pi}{x},可把 xx\to\infty 轉成 u0+u\to 0^+
  2. 這樣整題會變成 πutanutan11u\frac{\pi}{u}\tan u\cdot \tan^{-1}\frac{1}{u},兩個極限的角色更清楚。

答題過程

展開

u=πx\begin{align*} u=\frac{\pi}{x} \end{align*}

x=πux=\frac{\pi}{u},且當 xx\to\infty 時,u0+u\to 0^+。原式變成

limxxtanπxtan1xπ=limu0+πutanutan11u=π(limu0+tanuu)(limu0+tan11u)=π1π2=π22\begin{align*} &\, \lim_{x \to \infty} x \tan \frac{\pi}{x} \tan^{-1} \frac{x}{\pi} \\[4mm] =&\, \lim_{u\to 0^+} \frac{\pi}{u}\tan u\cdot \tan^{-1}\frac{1}{u} \\[4mm] =&\, \pi\left(\lim_{u\to 0^+}\frac{\tan u}{u}\right) \left(\lim_{u\to 0^+}\tan^{-1}\frac{1}{u}\right) \\[4mm] =&\, \pi\cdot 1\cdot \frac{\pi}{2} \\[4mm] =&\, \frac{\pi^2}{2} \end{align*}