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111 學年度台聯大微積分 A3/A4/A6 乙部第 3(2) 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 12 題

題目

Problem

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

(2) lim⁡(x,y)→(0,0)sin⁡(x−y)∣x∣+∣y∣\displaystyle\lim_{(x, y)\to(0, 0)} \frac{\sin(x - y)}{|x| + |y|}. (6%)

解答

解法一:沿座標軸單邊極限分析法

思路

展開
  1. 考慮沿 yy 軸(即直線 x=0x = 0)趨近於原點 (0,0)(0, 0)。
  2. 此時函數簡化為 sin⁡(−y)∣y∣=−sin⁡y∣y∣\frac{\sin(-y)}{|y|} = -\frac{\sin y}{|y|}。
  3. 藉由討論 y→0+y \to 0^+ 與 y→0−y \to 0^- 的單邊極限,若在此單一座標軸上的單邊極限皆不相等,則原雙變數極限必然不存在。

答題過程

展開

考慮沿著直線 x=0x = 0 趨近原點 (0,0)(0, 0),此時點的坐標為 (0,y)(0, y),其中 y≠0y \neq 0 且 y→0y \to 0。 將其代入函數式:

f(0,y)=sin⁡(0−y)∣0∣+∣y∣=sin⁡(−y)∣y∣=−sin⁡y∣y∣f(0, y) = \frac{\sin(0 - y)}{|0| + |y|} = \frac{\sin(-y)}{|y|} = -\frac{\sin y}{|y|}

對此單變數函數在 y→0y \to 0 處求左右極限:

  • 當 y→0+y \to 0^+ (此時 y>0  ⟹  ∣y∣=yy > 0 \implies |y| = y):

    lim⁡y→0+f(0,y)=lim⁡y→0+−sin⁡yy=−1⋅lim⁡y→0+sin⁡yy=−1\lim_{y\to 0^+} f(0, y) = \lim_{y\to 0^+} \frac{- \sin y}{y} = -1 \cdot \lim_{y\to 0^+} \frac{\sin y}{y} = -1
  • 當 y→0−y \to 0^- (此時 y<0  ⟹  ∣y∣=−yy < 0 \implies |y| = -y):

    lim⁡y→0−f(0,y)=lim⁡y→0−−sin⁡y−y=lim⁡y→0−sin⁡yy=1\lim_{y\to 0^-} f(0, y) = \lim_{y\to 0^-} \frac{- \sin y}{-y} = \lim_{y\to 0^-} \frac{\sin y}{y} = 1

因為沿著直線 x=0x = 0 趨近原點時,從不同方向(正向與負向)得到的單邊極限不相等(−1≠1-1 \neq 1)。 這說明在此路徑上的極限本身即不存在,故原雙變數極限必不存在。


解法二:射線路徑分析法

思路

展開
  1. 考慮沿著通過原點的射線 y=kxy = kx(在第一象限,即 x>0x > 0 且 x→0+x \to 0^+)趨近於原點 (0,0)(0, 0)。
  2. 代入 y=kxy = kx 後,消去 xx 並利用基本極限 lim⁡θ→0sin⁡θθ=1\lim_{\theta\to 0} \frac{\sin\theta}{\theta} = 1。
  3. 觀察所得到的極限值是否隨斜率 kk 的選擇不同而改變。若極限值與 kk 相關,則雙變數極限不存在。

答題過程

展開

我們考慮沿著直線路徑 y=kxy = kx(其中 k≥0k \ge 0 為常數)自第一象限趨近於原點,即令 x→0+x \to 0^+:

f(x,kx)=sin⁡(x−kx)∣x∣+∣kx∣=sin⁡(x(1−k))x+kx=sin⁡(x(1−k))x(1+k),(x>0)f(x, kx) = \frac{\sin(x - kx)}{|x| + |kx|} = \frac{\sin(x(1 - k))}{x + kx} = \frac{\sin(x(1 - k))}{x(1 + k)}, \quad (x > 0)

當 x→0+x \to 0^+ 時,計算此路徑的極限:

lim⁡x→0+f(x,kx)=lim⁡x→0+sin⁡(x(1−k))x(1−k)⋅1−k1+k=1⋅1−k1+k=1−k1+k\lim_{x\to 0^+} f(x, kx) = \lim_{x\to 0^+} \frac{\sin(x(1 - k))}{x(1 - k)} \cdot \frac{1 - k}{1 + k} = 1 \cdot \frac{1 - k}{1 + k} = \frac{1 - k}{1 + k}
  • 若選取 k=0k = 0(沿 xx 軸正半軸),極限值為:

    1−01+0=1\frac{1 - 0}{1 + 0} = 1
  • 若選取 k=2k = 2(沿直線 y=2xy = 2x),極限值為:

    1−21+2=−13\frac{1 - 2}{1 + 2} = -\frac{1}{3}

因為沿著斜率不同的直線路徑趨近原點得到了不同的極限值(1≠−131 \neq -\frac{1}{3}),故原雙變數極限不存在。