Skip to content
CalcGospel 微積分福音
返回

114 台綜大微積分 A 第 4 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 4 題

題目

Problem

Evaluate the limit.

\lim_{n \to \infty} \left[ \frac{2\arctan(2n)}{\pi} \right]^n = \underline{\quad\text{見解答}\quad}. \quad (10\%) (4) $\underline{\quad\text{見解答}\quad}$.

解答

解法一

思路

展開
  1. 本題極限的底數當 n→∞n \to \infty 時為 2πarctan⁡(∞)=2ππ2=1\frac{2}{\pi}\arctan(\infty) = \frac{2}{\pi}\frac{\pi}{2} = 1,指數部分為 ∞\infty。這是一個 1∞1^\infty 型未定式。
  2. 對於 1∞1^\infty 型未定式,我們採用自然對數變換: y=[2arctan⁡(2n)π]n  ⟹  ln⁡y=nln⁡[2arctan⁡(2n)π]y = \left[ \frac{2\arctan(2n)}{\pi} \right]^n \implies \ln y = n \ln\left[ \frac{2\arctan(2n)}{\pi} \right]
  3. 當 n→∞n \to \infty 時,ln⁡y\ln y 成為 ∞⋅0\infty \cdot 0 型未定式。我們可以將其寫為分式形式以套用羅必達法則: lim⁡n→∞ln⁡y=lim⁡n→∞ln⁡[2arctan⁡(2n)π]1n\lim_{n\to\infty} \ln y = \lim_{n\to\infty} \frac{\ln\left[ \frac{2\arctan(2n)}{\pi} \right]}{\frac{1}{n}}
  4. 為了簡化微分,我們也可以將極限中的自變數改寫為連續實數 x→∞x \to \infty,並對分子分母求導。
  5. 另一個更快的展開思路: 利用反三角函數的餘角關係: arctan⁡(2n)=π2−arctan⁡(12n)\arctan(2n) = \frac{\pi}{2} - \arctan\left(\frac{1}{2n}\right) 代入後: 2arctan⁡(2n)π=1−2πarctan⁡(12n)\frac{2\arctan(2n)}{\pi} = 1 - \frac{2}{\pi}\arctan\left(\frac{1}{2n}\right) 利用極限 u→0u \to 0 時 ln⁡(1−u)≈−u\ln(1-u) \approx -u 與 arctan⁡u≈u\arctan u \approx u: ln⁡[1−2πarctan⁡(12n)]≈−2πarctan⁡(12n)≈−2π12n=−1πn\ln\left[ 1 - \frac{2}{\pi}\arctan\left(\frac{1}{2n}\right) \right] \approx -\frac{2}{\pi}\arctan\left(\frac{1}{2n}\right) \approx -\frac{2}{\pi} \frac{1}{2n} = -\frac{1}{\pi n} 因此: nln⁡[2arctan⁡(2n)π]≈n(−1πn)=−1πn \ln\left[ \frac{2\arctan(2n)}{\pi} \right] \approx n \left( -\frac{1}{\pi n} \right) = -\frac{1}{\pi} 最後取指數 e−1/πe^{-1/\pi} 即可。

答題過程

展開

我們令待求的極限為 LL,且考慮對應的連續函數極限。設:

y=[2arctan⁡(2x)π]xy = \left[ \frac{2\arctan(2x)}{\pi} \right]^x

兩邊取自然對數:

ln⁡y=xln⁡[2arctan⁡(2x)π]=ln⁡[2πarctan⁡(2x)]1x\ln y = x \ln\left[ \frac{2\arctan(2x)}{\pi} \right] = \frac{\ln\left[ \frac{2}{\pi}\arctan(2x) \right]}{\frac{1}{x}}

當 x→∞x \to \infty 時,此式為 00\frac{0}{0} 型。我們對分子與分母分別關於 xx 求導(套用羅必達法則):

  • 分母微分: ddx(1x)=−1x2\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} \left( \frac{1}{x} \right) = -\frac{1}{x^2}
  • 分子微分(利用連鎖律): ddx(ln⁡[2πarctan⁡(2x)])=12πarctan⁡(2x)⋅2π⋅21+(2x)2=2arctan⁡(2x)⋅(1+4x2)\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} \left( \ln\left[ \frac{2}{\pi}\arctan(2x) \right] \right) = \frac{1}{\frac{2}{\pi}\arctan(2x)} \cdot \frac{2}{\pi} \cdot \frac{2}{1+(2x)^2} = \frac{2}{\arctan(2x) \cdot (1+4x^2)}

將兩者代回羅必達極限中:

lim⁡x→∞ln⁡y= lim⁡x→∞2arctan⁡(2x)⋅(1+4x2)−1x2= lim⁡x→∞(−2x2arctan⁡(2x)⋅(1+4x2))= lim⁡x→∞(1arctan⁡(2x)⋅−2x21+4x2)\begin{align*} \lim_{x \to \infty} \ln y =&\, \lim_{x \to \infty} \frac{\frac{2}{\arctan(2x) \cdot (1+4x^2)}}{-\frac{1}{x^2}} \\[4mm] =&\, \lim_{x \to \infty} \left( -\frac{2x^2}{\arctan(2x) \cdot (1+4x^2)} \right) \\[4mm] =&\, \lim_{x \to \infty} \left( \frac{1}{\arctan(2x)} \cdot \frac{-2x^2}{1+4x^2} \right) \end{align*}

當 x→∞x \to \infty 時:

  • arctan⁡(2x)→π2\displaystyle \arctan(2x) \to \frac{\pi}{2}
  • −2x21+4x2=−21x2+4→−24=−12\displaystyle \frac{-2x^2}{1+4x^2} = \frac{-2}{\frac{1}{x^2} + 4} \to -\frac{2}{4} = -\frac{1}{2}

代入極限值:

lim⁡x→∞ln⁡y=1π/2⋅(−12)=2π⋅(−12)=−1π\lim_{x \to \infty} \ln y = \frac{1}{\pi/2} \cdot \left( -\frac{1}{2} \right) = \frac{2}{\pi} \cdot \left( -\frac{1}{2} \right) = -\frac{1}{\pi}

最後,求得原極限 LL:

L=elim⁡x→∞ln⁡y=e−1πL = e^{\lim_{x\to\infty} \ln y} = e^{-\frac{1}{\pi}}

結論: 極限值為 e−1/πe^{-1/\pi}。