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111 學年度台聯大微積分 A2 第 2 題

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111學年度 · 111台聯大微積分A2 · 第 2 題

題目

Problem

2. Find the limit lim⁡x→0sin⁡x−xcos⁡xtan⁡3x\displaystyle\lim_{x\to 0} \frac{\sin x - x\cos x}{\tan^3 x}.

解答

解法一:泰勒級數展開法

思路

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  1. 此極限在 x→0x \to 0 時為 00\frac{0}{0} 型。
  2. 利用等價無窮小關係 tan⁡x∼x\tan x \sim x(當 x→0x \to 0 時),先將分母化簡成 x3x^3。 lim⁡x→0sin⁡x−xcos⁡xtan⁡3x=lim⁡x→0sin⁡x−xcos⁡xx3⋅(lim⁡x→0xtan⁡x)3=lim⁡x→0sin⁡x−xcos⁡xx3\lim_{x\to 0} \frac{\sin x - x\cos x}{\tan^3 x} = \lim_{x\to 0} \frac{\sin x - x\cos x}{x^3} \cdot \left( \lim_{x\to 0} \frac{x}{\tan x} \right)^3 = \lim_{x\to 0} \frac{\sin x - x\cos x}{x^3}
  3. 使用麥克勞林級數展開分子:
    • sin⁡x=x−x36+O(x5)\sin x = x - \frac{x^3}{6} + O(x^5)
    • xcos⁡x=x(1−x22+O(x4))=x−x32+O(x5)x\cos x = x\left( 1 - \frac{x^2}{2} + O(x^4) \right) = x - \frac{x^3}{2} + O(x^5)
  4. 相減後比較最低次項係數即可得出答案。

答題過程

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原式改寫為:

lim⁡x→0sin⁡x−xcos⁡xtan⁡3x=lim⁡x→0sin⁡x−xcos⁡xx3⋅(xtan⁡x)3\lim_{x\to 0} \frac{\sin x - x\cos x}{\tan^3 x} = \lim_{x\to 0} \frac{\sin x - x\cos x}{x^3} \cdot \left( \frac{x}{\tan x} \right)^3

因為 lim⁡x→0xtan⁡x=1\displaystyle\lim_{x\to 0} \frac{x}{\tan x} = 1,故原極限等於:

lim⁡x→0sin⁡x−xcos⁡xx3\lim_{x\to 0} \frac{\sin x - x\cos x}{x^3}

寫出 sin⁡x\sin x 與 cos⁡x\cos x 在 x=0x=0 處的泰勒展開式:

sin⁡x=x−x36+O(x5)\sin x = x - \frac{x^3}{6} + O(x^5) cos⁡x=1−x22+O(x4)  ⟹  xcos⁡x=x−x32+O(x5)\cos x = 1 - \frac{x^2}{2} + O(x^4) \implies x\cos x = x - \frac{x^3}{2} + O(x^5)

將展開式代回分子:

sin⁡x−xcos⁡x=(x−x36+O(x5))−(x−x32+O(x5))=13x3+O(x5)\sin x - x\cos x = \left( x - \frac{x^3}{6} + O(x^5) \right) - \left( x - \frac{x^3}{2} + O(x^5) \right) = \frac{1}{3}x^3 + O(x^5)

代入極限式中:

lim⁡x→013x3+O(x5)x3=13\lim_{x\to 0} \frac{\frac{1}{3}x^3 + O(x^5)}{x^3} = \boxed{\frac{1}{3}}

解法二:簡化後使用羅必達法則

思路

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  1. 同樣先利用等價無窮小 tan⁡x∼x\tan x \sim x 將分母化簡為 x3x^3。
  2. 對化簡後的極限 lim⁡x→0sin⁡x−xcos⁡xx3\lim_{x\to 0} \frac{\sin x - x\cos x}{x^3} 直接使用羅必達法則。
  3. 對分子分母求導一次,消去抵消項後,即可利用基本極限 lim⁡x→0sin⁡xx=1\lim_{x\to 0} \frac{\sin x}{x} = 1 直接求出答案。

答題過程

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利用等價無窮小代換 tan⁡x∼x\tan x \sim x(當 x→0x \to 0),原極限化簡為:

lim⁡x→0sin⁡x−xcos⁡xtan⁡3x=lim⁡x→0sin⁡x−xcos⁡xx3\lim_{x\to 0} \frac{\sin x - x\cos x}{\tan^3 x} = \lim_{x\to 0} \frac{\sin x - x\cos x}{x^3}

此時極限為 00\frac{0}{0} 型,對其使用羅必達法則:

lim⁡x→0sin⁡x−xcos⁡xx3=L.H.lim⁡x→0ddx(sin⁡x−xcos⁡x)ddx(x3)\lim_{x\to 0} \frac{\sin x - x\cos x}{x^3} \stackrel{\text{L.H.}}{=} \lim_{x\to 0} \frac{\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}(\sin x - x\cos x)}{\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}(x^3)}

計算分子的導數:

ddx(sin⁡x−xcos⁡x)=cos⁡x−(1⋅cos⁡x+x(−sin⁡x))=xsin⁡x\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}(\sin x - x\cos x) = \cos x - \left( 1 \cdot \cos x + x(-\sin x) \right) = x\sin x

代回極限式:

=lim⁡x→0xsin⁡x3x2=lim⁡x→0sin⁡x3x= \lim_{x\to 0} \frac{x\sin x}{3x^2} = \lim_{x\to 0} \frac{\sin x}{3x}

利用基本極限 lim⁡x→0sin⁡xx=1\displaystyle\lim_{x\to 0} \frac{\sin x}{x} = 1:

=13⋅lim⁡x→0sin⁡xx=13= \frac{1}{3} \cdot \lim_{x\to 0} \frac{\sin x}{x} = \boxed{\frac{1}{3}}