題目
Problem
2. Find the limit x→0limtan3xsinx−xcosx.
解答
解法一:泰勒級數展開法
思路
展開
- 此極限在 x→0 時為 00 型。
- 利用等價無窮小關係 tanx∼x(當 x→0 時),先將分母化簡成 x3。
limx→0tan3xsinx−xcosx=limx→0x3sinx−xcosx⋅(limx→0tanxx)3=limx→0x3sinx−xcosx
- 使用麥克勞林級數展開分子:
- sinx=x−6x3+O(x5)
- xcosx=x(1−2x2+O(x4))=x−2x3+O(x5)
- 相減後比較最低次項係數即可得出答案。
答題過程
展開
原式改寫為:
x→0limtan3xsinx−xcosx=x→0limx3sinx−xcosx⋅(tanxx)3
因為 x→0limtanxx=1,故原極限等於:
x→0limx3sinx−xcosx
寫出 sinx 與 cosx 在 x=0 處的泰勒展開式:
sinx=x−6x3+O(x5)
cosx=1−2x2+O(x4)⟹xcosx=x−2x3+O(x5)
將展開式代回分子:
sinx−xcosx=(x−6x3+O(x5))−(x−2x3+O(x5))=31x3+O(x5)
代入極限式中:
x→0limx331x3+O(x5)=31
解法二:簡化後使用羅必達法則
思路
展開
- 同樣先利用等價無窮小 tanx∼x 將分母化簡為 x3。
- 對化簡後的極限 limx→0x3sinx−xcosx 直接使用羅必達法則。
- 對分子分母求導一次,消去抵消項後,即可利用基本極限 limx→0xsinx=1 直接求出答案。
答題過程
展開
利用等價無窮小代換 tanx∼x(當 x→0),原極限化簡為:
x→0limtan3xsinx−xcosx=x→0limx3sinx−xcosx
此時極限為 00 型,對其使用羅必達法則:
x→0limx3sinx−xcosx=L.H.x→0limdxd(x3)dxd(sinx−xcosx)
計算分子的導數:
dxd(sinx−xcosx)=cosx−(1⋅cosx+x(−sinx))=xsinx
代回極限式:
=x→0lim3x2xsinx=x→0lim3xsinx
利用基本極限 x→0limxsinx=1:
=31⋅x→0limxsinx=31