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111 學年度台聯大微積分 A3/A4/A6 乙部第 3(1) 題

考題 / 轉學考微積分 / 台聯大 / 微積分A3/A4/A6

111學年度 · 111台聯大微積分A3/A4/A6 · 第 11 題

題目

Problem

3. Find the limit of ff or show that the limit does not exist.

(1) lim(x,y)(1,0)xey1xey1+y\displaystyle\lim_{(x, y)\to(1, 0)} \frac{xe^y - 1}{xe^y - 1 + y}. (6%)

解答

解法一:路徑逼近法

思路

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  1. 給定極限點為 (1,0)(1, 0),此極限在直觀代入時為 00\frac{0}{0} 型未定式。
  2. 為了判定極限是否存在,我們嘗試沿著不同的路徑(趨近 (1,0)(1,0) 的直線或曲線)逼近該點。
  3. 第一條路徑:沿著直線 x=1x = 1。此時點為 (1,y)(1, y),當 y0y \to 0 時,極限可用單變數的羅必達法則計算。
  4. 第二條路徑:沿著直線 x=0x = 0。此時點為 (0,y)(0, y),當 y0y \to 0 時直接求得極限。
  5. 比較這兩條不同路徑的極限值,若不相等則原雙變數極限不存在。

答題過程

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考慮函數 f(x,y)=xey1xey1+yf(x, y) = \frac{xe^y - 1}{xe^y - 1 + y}

  • 路徑一:沿著直線 x=1x = 1 趨近於 (1,0)(1, 0)。 此時自變數為 (1,y)(1, y)y0y \to 0。代入函數式:

    limy0f(1,y)=limy0ey1ey1+y\lim_{y\to 0} f(1, y) = \lim_{y\to 0} \frac{e^y - 1}{e^y - 1 + y}

    由於此時為 00\frac{0}{0} 型,利用單變數的羅必達法則(L’Hôpital’s Rule):

    limy0ey1ey1+y=L.H.limy0eyey+1=e0e0+1=12\lim_{y\to 0} \frac{e^y - 1}{e^y - 1 + y} \stackrel{\text{L.H.}}{=} \lim_{y\to 0} \frac{e^y}{e^y + 1} = \frac{e^0}{e^0 + 1} = \frac{1}{2}
  • 路徑二:沿著直線 x=0x = 0 趨近於 (1,0)(1, 0) 的平行線(或直接取 x=0x = 0 路徑,其極限點相同)。 但為了更嚴格,我們可取另一條簡單直線,如沿著 y=0y = 0 趨近於 (1,0)(1, 0)。 此時自變數為 (x,0)(x, 0)x1x \to 1

    limx1f(x,0)=limx1xe01xe01+0=limx1x1x1=1\lim_{x\to 1} f(x, 0) = \lim_{x\to 1} \frac{x e^0 - 1}{x e^0 - 1 + 0} = \lim_{x\to 1} \frac{x - 1}{x - 1} = 1

    (註:或者沿著直線 x=0x = 0,此時自變數為 (0,y)(0, y)y0y \to 0,代入得 limy011+y=1\lim_{y\to 0} \frac{-1}{-1+y} = 1

因為沿著這兩條不同的路徑趨近於 (1,0)(1, 0) 時得到了不同的極限值(121\frac{1}{2} \neq 1),根據極限的唯一性,該雙變數極限不存在