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114 台綜大微積分 A 第 2 題

考題 / 轉學考微積分 / 台綜大 / 微積分 A

114學年度 · 114微積分A · 第 2 題

題目

Problem

Evaluate the limit.

lim⁡x→0sin⁡(2arcsin⁡(3x))−6xx3=見解答‾.(10%)\lim_{x \to 0} \frac{\sin(2\arcsin(3x)) - 6x}{x^3} = \underline{\quad\text{見解答}\quad}. \quad (10\%)

(2) 見解答‾\underline{\quad\text{見解答}\quad}.

解答

解法一:利用二倍角公式與羅必達法則(常規計算法)

思路

展開
  1. 本題是當 x→0x \to 0 時的 00\frac{0}{0} 型未定式極限。
  2. 為了處理複雜的複合三角函數 sin⁡(2arcsin⁡(3x))\sin(2\arcsin(3x)),我們可以先利用正弦二倍角公式進行化簡: sin⁡(2θ)=2sin⁡θcos⁡θ\sin(2\theta) = 2\sin\theta\cos\theta 這裡令 θ=arcsin⁡(3x)\theta = \arcsin(3x)。
  3. 根據反三角函數的定義:
    • sin⁡(arcsin⁡(3x))=3x\sin(\arcsin(3x)) = 3x
    • cos⁡(arcsin⁡(3x))=1−(3x)2=1−9x2\cos(\arcsin(3x)) = \sqrt{1 - (3x)^2} = \sqrt{1 - 9x^2} 因此: sin⁡(2arcsin⁡(3x))=2⋅(3x)⋅1−9x2=6x1−9x2\sin(2\arcsin(3x)) = 2 \cdot (3x) \cdot \sqrt{1-9x^2} = 6x\sqrt{1-9x^2}
  4. 將化簡後的結果代回極限式中: lim⁡x→06x1−9x2−6xx3=6lim⁡x→0x(1−9x2−1)x3=6lim⁡x→01−9x2−1x2\lim_{x\to 0} \frac{6x\sqrt{1-9x^2} - 6x}{x^3} = 6 \lim_{x\to 0} \frac{x\big(\sqrt{1-9x^2} - 1\big)}{x^3} = 6 \lim_{x\to 0} \frac{\sqrt{1-9x^2} - 1}{x^2}
  5. 這是一個簡單的 00\frac{0}{0} 不定型,我們可以利用有理化分子或羅必達法則直接求值。

答題過程

展開

首先,利用正弦二倍角公式 sin⁡(2θ)=2sin⁡θcos⁡θ\sin(2\theta) = 2\sin\theta\cos\theta,其中令 θ=arcsin⁡(3x)\theta = \arcsin(3x):

sin⁡(2arcsin⁡(3x))=2sin⁡(arcsin⁡(3x))cos⁡(arcsin⁡(3x))\sin(2\arcsin(3x)) = 2\sin(\arcsin(3x))\cos(\arcsin(3x))

根據定義,當 3x∈[−1,1]3x \in [-1, 1] 時,有 sin⁡(arcsin⁡(3x))=3x\sin(\arcsin(3x)) = 3x,且:

cos⁡(arcsin⁡(3x))=1−sin⁡2(arcsin⁡(3x))=1−9x2\cos(\arcsin(3x)) = \sqrt{1 - \sin^2(\arcsin(3x))} = \sqrt{1 - 9x^2}

代回二倍角展開式中:

sin⁡(2arcsin⁡(3x))=2(3x)1−9x2=6x1−9x2\sin(2\arcsin(3x)) = 2(3x)\sqrt{1 - 9x^2} = 6x\sqrt{1 - 9x^2}

將其代回原極限式:

L= lim⁡x→06x1−9x2−6xx3= lim⁡x→06x(1−9x2−1)x3= 6lim⁡x→01−9x2−1x2\begin{align*} L =&\, \lim_{x \to 0} \frac{6x\sqrt{1-9x^2} - 6x}{x^3} \\[4mm] =&\, \lim_{x \to 0} \frac{6x\left( \sqrt{1-9x^2} - 1 \right)}{x^3} \\[4mm] =&\, 6 \lim_{x \to 0} \frac{\sqrt{1-9x^2} - 1}{x^2} \end{align*}

此時極限仍為 00\frac{0}{0} 不定型。我們將分子有理化(同乘以 1−9x2+1\sqrt{1-9x^2} + 1):

L= 6lim⁡x→0(1−9x2−1)(1−9x2+1)x2(1−9x2+1)= 6lim⁡x→0(1−9x2)−1x2(1−9x2+1)= 6lim⁡x→0−9x2x2(1−9x2+1)= 6lim⁡x→0−91−9x2+1= 6⋅−91−0+1= 6⋅−92=−27\begin{align*} L =&\, 6 \lim_{x \to 0} \frac{\left( \sqrt{1-9x^2} - 1 \right)\left( \sqrt{1-9x^2} + 1 \right)}{x^2 \left( \sqrt{1-9x^2} + 1 \right)} \\[4mm] =&\, 6 \lim_{x \to 0} \frac{(1-9x^2) - 1}{x^2 \left( \sqrt{1-9x^2} + 1 \right)} \\[4mm] =&\, 6 \lim_{x \to 0} \frac{-9x^2}{x^2 \left( \sqrt{1-9x^2} + 1 \right)} \\[4mm] =&\, 6 \lim_{x \to 0} \frac{-9}{\sqrt{1-9x^2} + 1} \\[4mm] =&\, 6 \cdot \frac{-9}{\sqrt{1-0} + 1} \\[4mm] =&\, 6 \cdot \frac{-9}{2} = -27 \end{align*}

結論: 極限值為 −27-27。


解法二:利用麥克勞林級數展開(泰勒級數快速法)

思路

展開
  1. 當自變數 x→0x \to 0 時,使用泰勒級數(麥克勞林級數)展開常能極快速解決三角與反三角的複合極限。
  2. 已知 arcsin⁡u\arcsin u 與 sin⁡v\sin v 在 00 附近的麥克勞林展開式分別為:
    • arcsin⁡u=u+16u3+O(u5)\arcsin u = u + \frac{1}{6}u^3 + \mathcal{O}(u^5)
    • sin⁡v=v−16v3+O(v5)\sin v = v - \frac{1}{6}v^3 + \mathcal{O}(v^5)
  3. 我們令 u=3xu = 3x,代入 arcsin⁡(3x)\arcsin(3x) 展開至 x3x^3 項: arcsin⁡(3x)=3x+16(3x)3+O(x5)=3x+92x3+O(x5)\arcsin(3x) = 3x + \frac{1}{6}(3x)^3 + \mathcal{O}(x^5) = 3x + \frac{9}{2}x^3 + \mathcal{O}(x^5) 則二倍角為: 2arcsin⁡(3x)=6x+9x3+O(x5)2\arcsin(3x) = 6x + 9x^3 + \mathcal{O}(x^5)
  4. 接著將 v=2arcsin⁡(3x)=6x+9x3+O(x5)v = 2\arcsin(3x) = 6x + 9x^3 + \mathcal{O}(x^5) 代入正弦函數的展開式: sin⁡(2arcsin⁡(3x))=(6x+9x3)−16(6x)3+O(x5)=6x+9x3−36x3+O(x5)=6x−27x3+O(x5)\sin(2\arcsin(3x)) = (6x + 9x^3) - \frac{1}{6}(6x)^3 + \mathcal{O}(x^5) = 6x + 9x^3 - 36x^3 + \mathcal{O}(x^5) = 6x - 27x^3 + \mathcal{O}(x^5)
  5. 代回原極限式,即可極為輕鬆地直接讀出極限值為 −27-27。

答題過程

展開

已知基本函數在 00 附近的麥克勞林展開式:

arcsin⁡u=u+16u3+O(u5)\arcsin u = u + \frac{1}{6}u^3 + \mathcal{O}(u^5)

令 u=3xu = 3x,代入可得:

arcsin⁡(3x)=3x+16(3x)3+O(x5)=3x+92x3+O(x5)\arcsin(3x) = 3x + \frac{1}{6}(3x)^3 + \mathcal{O}(x^5) = 3x + \frac{9}{2}x^3 + \mathcal{O}(x^5)

因此:

2arcsin⁡(3x)=6x+9x3+O(x5)2\arcsin(3x) = 6x + 9x^3 + \mathcal{O}(x^5)

又已知正弦函數的展開式為:

sin⁡v=v−16v3+O(v5)\sin v = v - \frac{1}{6}v^3 + \mathcal{O}(v^5)

將 v=6x+9x3+O(x5)v = 6x + 9x^3 + \mathcal{O}(x^5) 代入正弦展開式中,我們只需保留到 x3x^3 項:

sin⁡(2arcsin⁡(3x))= (6x+9x3)−16(6x+9x3)3+O(x5)= 6x+9x3−16(216x3)+O(x5)= 6x+9x3−36x3+O(x5)= 6x−27x3+O(x5)\begin{align*} \sin\big(2\arcsin(3x)\big) =&\, \left( 6x + 9x^3 \right) - \frac{1}{6}\left( 6x + 9x^3 \right)^3 + \mathcal{O}(x^5) \\[4mm] =&\, 6x + 9x^3 - \frac{1}{6}\left( 216x^3 \right) + \mathcal{O}(x^5) \\[4mm] =&\, 6x + 9x^3 - 36x^3 + \mathcal{O}(x^5) \\[4mm] =&\, 6x - 27x^3 + \mathcal{O}(x^5) \end{align*}

將此展開式代回原極限式:

\begin{align*} \lim_{x \to 0} \frac{\sin(2\arcsin(3x)) - 6x}{x^3} =&\, \lim_{x \to 0} \frac{\big(6x - 27x^3 + \mathcal{O}(x^5)\big) - 6x}{x^3} \\[4mm] =&\, \lim_{x \to 0} \frac{-27x^3 + \mathcal{O}(x^5)}{x^3} \\[4mm] =&\, \lim_{x \to 0} \left( -27 + \mathcal{O}(x^2) \right) = -27 \end{align>

證明與計算皆極為快捷。

結論: 極限值為 −27-27。