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113 台綜大微積分(C) 第 1 題

考題 / 轉學考微積分 / 台綜大 / 微積分C

113學年度 · 113微積分C · 第 1 題

題目

Problem

  1. (1) Evaluate limx26x176x73x6\lim_{x \to 2} \frac{|6x - 17| - |6x - 7|}{3x - 6}. (5%) (2) Evaluate limx0[cos(2x)]x2\lim_{x \to 0} \left[ \cos(2x) \right]^{x^{-2}}. (5%)

解答

解法一

思路

展開

本題分為兩個小問,分別求含有絕對值項的極限與 11^\infty 未定型的冪指極限。

(1) 求解 limx26x176x73x6\lim_{x \to 2} \frac{|6x - 17| - |6x - 7|}{3x - 6}

  • x2x \to 2 時:
    • 6x171217=5<06x - 17 \to 12 - 17 = -5 < 0。因此,在 x=2x=2 附近, 6x17=(6x17)=176x|6x - 17| = -(6x - 17) = 17 - 6x
    • 6x7127=5>06x - 7 \to 12 - 7 = 5 > 0。因此,在 x=2x=2 附近, 6x7=6x7|6x - 7| = 6x - 7
  • 將絕對值去掉後,原式轉化為常規的有理分式極限,化簡求值。

(2) 求解 limx0[cos(2x)]1/x2\lim_{x \to 0} [\cos(2x)]^{1/x^2}

  • x0x \to 0 時,底數 cos2x1\cos 2x \to 1,指數 1x2\frac{1}{x^2} \to \infty,此為 11^\infty 型未定式。
  • 我們令 y=[cos(2x)]1/x2y = [\cos(2x)]^{1/x^2},兩側取自然對數: lny=lncos2xx2\ln y = \frac{\ln\cos 2x}{x^2}
  • x0x \to 0 時,此為 00\frac{0}{0} 型。
  • 使用羅必達法則或等價無窮小代換求得對數的極限,進而求出原極限。

答題過程

展開

(1) 求解 limx26x176x73x6\displaystyle \lim_{x \to 2} \frac{|6x - 17| - |6x - 7|}{3x - 6}

我們分析絕對值項在自變數 x2x \to 2 鄰域內的符號:

  • x2x \to 2 時,有 6x126x \to 12,所以:
    • 6x175<0    6x17=(6x17)=176x6x - 17 \to -5 < 0 \implies |6x - 17| = -(6x - 17) = 17 - 6x
    • 6x75>0    6x7=6x76x - 7 \to 5 > 0 \implies |6x - 7| = 6x - 7

我們將絕對值符號去掉並代回原式:

limx26x176x73x6=limx2(176x)(6x7)3(x2)=limx22412x3(x2)=limx212(x2)3(x2)\begin{align*} \lim_{x \to 2} \frac{|6x - 17| - |6x - 7|}{3x - 6} =&\, \lim_{x \to 2} \frac{(17 - 6x) - (6x - 7)}{3(x - 2)} \\[4mm] =&\, \lim_{x \to 2} \frac{24 - 12x}{3(x - 2)} \\[4mm] =&\, \lim_{x \to 2} \frac{-12(x - 2)}{3(x - 2)} \end{align*}

約去非零項 x2x-2

limx2123=4\lim_{x \to 2} \frac{-12}{3} = -4

(2) 求解 limx0[cos(2x)]x2\displaystyle \lim_{x \to 0} \left[ \cos(2x) \right]^{x^{-2}}

令:

y=[cos(2x)]1/x2y = \left[ \cos(2x) \right]^{1/x^2}

兩側取自然對數:

lny=lncos(2x)x2\ln y = \frac{\ln \cos(2x)}{x^2}

x0x \to 0 時,分子為 ln(cos0)=ln1=0\ln(\cos 0) = \ln 1 = 0,分母為 00,此為 00\frac{0}{0} 型未定式。我們使用羅必達法則(L’Hôpital’s Rule):

limx0lny=L.H.limx0ddxlncos(2x)ddx(x2)=limx01cos(2x)(2sin(2x))2x=limx0(sin(2x)x1cos(2x))\begin{align*} \lim_{x \to 0} \ln y \stackrel{\text{L.H.}}{=}&\, \lim_{x \to 0} \frac{\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} \ln \cos(2x)}{\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} (x^2)} \\[4mm] =&\, \lim_{x \to 0} \frac{\frac{1}{\cos(2x)} \cdot (-2\sin(2x))}{2x} \\[4mm] =&\, \lim_{x \to 0} \left( -\frac{\sin(2x)}{x} \cdot \frac{1}{\cos(2x)} \right) \end{align*}

利用重要極限 limx0sin2x2x=1    limx0sin2xx=2\displaystyle \lim_{x\to 0} \frac{\sin 2x}{2x} = 1 \implies \lim_{x\to 0} \frac{\sin 2x}{x} = 2,以及 limx0cos2x=1\lim_{x\to 0} \cos 2x = 1

limx0lny=211=2\lim_{x \to 0} \ln y = -2 \cdot \frac{1}{1} = -2

因此,還原得到原極限值為:

limx0y=elimx0lny=e2\lim_{x \to 0} y = e^{\lim_{x\to 0} \ln y} = e^{-2}

結論:

  • (1) 極限值為 4-4
  • (2) 極限值為 e2e^{-2}