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113 台綜大微積分(B) 第 2 題

考題 / 轉學考微積分 / 台綜大 / 微積分B

113學年度 · 113微積分B · 第 2 題

題目

Problem

2. Evaluate the limit

lim⁡x→03+cos⁡3x−2x2 .(10%)\lim_{x \to 0} \frac{\sqrt{3 + \cos 3x} - 2}{x^2} \,. \quad (10\%)

解答

解法一:分子有理化與等價無窮小代換(推薦做法)

思路

展開
  1. 當 x→0x \to 0 時,分子為 3+cos⁡0−2=4−2=0\sqrt{3+\cos 0} - 2 = \sqrt{4} - 2 = 0,分母為 00,此為 00\frac{0}{0} 型未定式。
  2. 看到根式相減 A−B\sqrt{A} - B,我們優先考慮共軛分子有理化。
  3. 第一步:分子分母同乘共軛式 3+cos⁡3x+2\sqrt{3+\cos 3x} + 2: 3+cos⁡3x−2x2⋅3+cos⁡3x+23+cos⁡3x+2=(3+cos⁡3x)−4x2(3+cos⁡3x+2)=cos⁡3x−1x2(3+cos⁡3x+2)\frac{\sqrt{3+\cos 3x} - 2}{x^2} \cdot \frac{\sqrt{3+\cos 3x} + 2}{\sqrt{3+\cos 3x} + 2} = \frac{(3+\cos 3x) - 4}{x^2(\sqrt{3+\cos 3x} + 2)} = \frac{\cos 3x - 1}{x^2(\sqrt{3+\cos 3x} + 2)}
  4. 第二步:分離極限並代換等價無窮小:
    • 當 x→0x \to 0 時, 3+cos⁡3x+2→4\sqrt{3+\cos 3x} + 2 \to 4,此項可以當作常數 14\frac{1}{4} 提出。
    • 剩下求 lim⁡x→0cos⁡3x−1x2\lim_{x\to 0} \frac{\cos 3x - 1}{x^2}。
    • 我們知道當 u→0u \to 0 時, cos⁡u−1≈−u22\cos u - 1 \approx -\frac{u^2}{2}。
    • 此處令 u=3x→0  ⟹  cos⁡3x−1≈−(3x)22=−9x22u = 3x \to 0 \implies \cos 3x - 1 \approx -\frac{(3x)^2}{2} = -\frac{9x^2}{2}。
    • 代回計算極限即可。

答題過程

展開

原極限式在 x→0x \to 0 代入時為 00\frac{0}{0} 型。我們對分子進行有理化,分子分母同乘以其共軛項 3+cos⁡3x+2\sqrt{3 + \cos 3x} + 2:

lim⁡x→03+cos⁡3x−2x2= lim⁡x→0(3+cos⁡3x−2)(3+cos⁡3x+2)x2(3+cos⁡3x+2)= lim⁡x→0(3+cos⁡3x)−4x2(3+cos⁡3x+2)= lim⁡x→0cos⁡3x−1x2(3+cos⁡3x+2)\begin{align*} \lim_{x \to 0} \frac{\sqrt{3 + \cos 3x} - 2}{x^2} =&\, \lim_{x \to 0} \frac{\left( \sqrt{3 + \cos 3x} - 2 \right)\left( \sqrt{3 + \cos 3x} + 2 \right)}{x^2 \left( \sqrt{3 + \cos 3x} + 2 \right)} \\[4mm] =&\, \lim_{x \to 0} \frac{(3 + \cos 3x) - 4}{x^2 \left( \sqrt{3 + \cos 3x} + 2 \right)} \\[4mm] =&\, \lim_{x \to 0} \frac{\cos 3x - 1}{x^2 \left( \sqrt{3 + \cos 3x} + 2 \right)} \end{align*}

我們可以將極限拆分為兩部分:

lim⁡x→0cos⁡3x−1x2(3+cos⁡3x+2)=(lim⁡x→013+cos⁡3x+2)⋅(lim⁡x→0cos⁡3x−1x2)\lim_{x \to 0} \frac{\cos 3x - 1}{x^2 \left( \sqrt{3 + \cos 3x} + 2 \right)} = \left( \lim_{x \to 0} \frac{1}{\sqrt{3 + \cos 3x} + 2} \right) \cdot \left( \lim_{x \to 0} \frac{\cos 3x - 1}{x^2} \right)
  • 第一部分: lim⁡x→013+cos⁡3x+2=13+cos⁡0+2=12+2=14\lim_{x \to 0} \frac{1}{\sqrt{3 + \cos 3x} + 2} = \frac{1}{\sqrt{3 + \cos 0} + 2} = \frac{1}{2 + 2} = \frac{1}{4}
  • 第二部分: 我們利用等價無窮小關係。當 u→0u \to 0 時, 1−cos⁡u≈12u2  ⟹  cos⁡u−1≈−12u21 - \cos u \approx \frac{1}{2}u^2 \implies \cos u - 1 \approx -\frac{1}{2}u^2。 令 u=3xu = 3x,當 x→0x \to 0 時 u→0u \to 0: cos⁡3x−1≈−12(3x)2=−92x2\cos 3x - 1 \approx -\frac{1}{2}(3x)^2 = -\frac{9}{2}x^2 代入第二部分極限: lim⁡x→0cos⁡3x−1x2=lim⁡x→0−92x2x2=−92\lim_{x \to 0} \frac{\cos 3x - 1}{x^2} = \lim_{x \to 0} \frac{-\frac{9}{2}x^2}{x^2} = -\frac{9}{2}

兩部分結果相乘得到最終極限:

lim⁡x→03+cos⁡3x−2x2=14⋅(−92)=−98\lim_{x \to 0} \frac{\sqrt{3 + \cos 3x} - 2}{x^2} = \frac{1}{4} \cdot \left( -\frac{9}{2} \right) = -\frac{9}{8}

結論: 極限值為 −98-\displaystyle \frac{9}{8}。