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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 lim⁡x→2∣6x−17∣−∣6x−7∣3x−6\lim_{x \to 2} \frac{|6x - 17| - |6x - 7|}{3x - 6}. (5%) (2) Evaluate lim⁡x→0[cos⁡(2x)]x−2\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 1∞1^\infty 未定型的冪指極限。

(1) 求解 lim⁡x→2∣6x−17∣−∣6x−7∣3x−6\lim_{x \to 2} \frac{|6x - 17| - |6x - 7|}{3x - 6}

  • 當 x→2x \to 2 時:
    • 6x−17→12−17=−5<06x - 17 \to 12 - 17 = -5 < 0。因此,在 x=2x=2 附近, ∣6x−17∣=−(6x−17)=17−6x|6x - 17| = -(6x - 17) = 17 - 6x。
    • 6x−7→12−7=5>06x - 7 \to 12 - 7 = 5 > 0。因此,在 x=2x=2 附近, ∣6x−7∣=6x−7|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 lim⁡x→0[cos⁡(2x)]1/x2\lim_{x \to 0} [\cos(2x)]^{1/x^2}

  • 當 x→0x \to 0 時,底數 cos⁡2x→1\cos 2x \to 1,指數 1x2→∞\frac{1}{x^2} \to \infty,此為 1∞1^\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: ln⁡y=ln⁡cos⁡2xx2\ln y = \frac{\ln\cos 2x}{x^2}
  • 當 x→0x \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 lim⁡x→2∣6x−17∣−∣6x−7∣3x−6\displaystyle \lim_{x \to 2} \frac{|6x - 17| - |6x - 7|}{3x - 6}

我們分析絕對值項在自變數 x→2x \to 2 鄰域內的符號:

  • 當 x→2x \to 2 時,有 6x→126x \to 12,所以:
    • 6x−17→−5<0  ⟹  ∣6x−17∣=−(6x−17)=17−6x6x - 17 \to -5 < 0 \implies |6x - 17| = -(6x - 17) = 17 - 6x
    • 6x−7→5>0  ⟹  ∣6x−7∣=6x−76x - 7 \to 5 > 0 \implies |6x - 7| = 6x - 7

我們將絕對值符號去掉並代回原式:

lim⁡x→2∣6x−17∣−∣6x−7∣3x−6= lim⁡x→2(17−6x)−(6x−7)3(x−2)= lim⁡x→224−12x3(x−2)= lim⁡x→2−12(x−2)3(x−2)\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 x−2x-2:

lim⁡x→2−123=−4\lim_{x \to 2} \frac{-12}{3} = -4

(2) 求解 lim⁡x→0[cos⁡(2x)]x−2\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:

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

當 x→0x \to 0 時,分子為 ln⁡(cos⁡0)=ln⁡1=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):

lim⁡x→0ln⁡y=L.H. lim⁡x→0ddxln⁡cos⁡(2x)ddx(x2)= lim⁡x→01cos⁡(2x)⋅(−2sin⁡(2x))2x= lim⁡x→0(−sin⁡(2x)x⋅1cos⁡(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 lim⁡x→0sin⁡2x2x=1  ⟹  lim⁡x→0sin⁡2xx=2\displaystyle \lim_{x\to 0} \frac{\sin 2x}{2x} = 1 \implies \lim_{x\to 0} \frac{\sin 2x}{x} = 2,以及 lim⁡x→0cos⁡2x=1\lim_{x\to 0} \cos 2x = 1:

lim⁡x→0ln⁡y=−2⋅11=−2\lim_{x \to 0} \ln y = -2 \cdot \frac{1}{1} = -2

因此,還原得到原極限值為:

lim⁡x→0y=elim⁡x→0ln⁡y=e−2\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 e−2e^{-2}