Skip to content
CalcGospel 微積分福音
返回

112 台聯大微積分(A2) 第 1 題

考題 / 轉學考微積分 / 台聯大 / 微積分A2

112學年度 · 112微積分A2 · 第 1 題

題目

Problem

一、填充題:共 8 題,每題 8 分,共 64 分。

  1. Find the limit limx0+(1x1ex1)\lim\limits_{x \to 0^+} \left( \frac{1}{x} - \frac{1}{e^x - 1} \right).

解答

解法一:泰勒級數展開法

思路

展開
  1. 本題求 limx0+(1x1ex1)\lim\limits_{x\to 0^+} \left(\frac{1}{x} - \frac{1}{e^x-1}\right),這是一個 \infty - \infty 型的未定式。
  2. 我們可以先將分式通分,化為 ex1xx(ex1)\frac{e^x - 1 - x}{x(e^x - 1)},這是一個 00\frac{0}{0} 型未定式。
  3. 利用泰勒級數(Taylor Series)將 exe^xx=0x=0 附近展開: ex=1+x+x22!+x33!+o(x3)e^x = 1 + x + \frac{x^2}{2!} + \frac{x^3}{3!} + o(x^3)
  4. 代入分子與分母:
    • 分子: ex1x=x22+x36+o(x3)e^x - 1 - x = \frac{x^2}{2} + \frac{x^3}{6} + o(x^3)
    • 分母: x(ex1)=x(x+x22+o(x2))=x2+x32+o(x3)x(e^x - 1) = x \left( x + \frac{x^2}{2} + o(x^2) \right) = x^2 + \frac{x^3}{2} + o(x^3)
  5. 將分子與分母同除以 x2x^2,再令 x0+x \to 0^+ 即可得到極限值。

答題過程

展開

給定極限:

L=limx0+(1x1ex1)L = \lim_{x \to 0^+} \left( \frac{1}{x} - \frac{1}{e^x - 1} \right)

將兩分式通分,化為單一分式:

L=limx0+ex1xx(ex1)L = \lim_{x \to 0^+} \frac{e^x - 1 - x}{x(e^x - 1)}

此時,當 x0+x \to 0^+ 時,分子 e010=0e^0 - 1 - 0 = 0,分母 0(e01)=00(e^0 - 1) = 0,屬於 00\frac{0}{0} 型未定式。

我們利用 exe^x 的泰勒級數展開式:

ex=1+x+x22!+x33!+=1+x+x22+x36+e^x = 1 + x + \frac{x^2}{2!} + \frac{x^3}{3!} + \cdots = 1 + x + \frac{x^2}{2} + \frac{x^3}{6} + \cdots

將其代入分子:

ex1x=(1+x+x22+x36+)1x=x22+x36+e^x - 1 - x = \left( 1 + x + \frac{x^2}{2} + \frac{x^3}{6} + \cdots \right) - 1 - x = \frac{x^2}{2} + \frac{x^3}{6} + \cdots

將其代入分母:

x(ex1)=x(x+x22+x36+)=x2+x32+x(e^x - 1) = x \left( x + \frac{x^2}{2} + \frac{x^3}{6} + \cdots \right) = x^2 + \frac{x^3}{2} + \cdots

因此,極限式可以寫為:

L=limx0+x22+x36+x2+x32+L = \lim_{x \to 0^+} \frac{\frac{x^2}{2} + \frac{x^3}{6} + \cdots}{x^2 + \frac{x^3}{2} + \cdots}

分子與分母同除以 x2x^2

L=limx0+12+x6+1+x2+=12+01+0=12L = \lim_{x \to 0^+} \frac{\frac{1}{2} + \frac{x}{6} + \cdots}{1 + \frac{x}{2} + \cdots} = \frac{\frac{1}{2} + 0}{1 + 0} = \frac{1}{2}

解法二:羅必達法則(L’Hôpital’s Rule)

同樣先通分為:

L=limx0+ex1xx(ex1)L = \lim_{x \to 0^+} \frac{e^x - 1 - x}{x(e^x - 1)}

對分子與分母分別關於 xx 求導(第一次使用羅必達法則):

L=limx0+ddx(ex1x)ddx(xexx)=limx0+ex1(1ex+xex)1=limx0+ex1ex+xex1L = \lim_{x \to 0^+} \frac{\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}(e^x - 1 - x)}{\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}(xe^x - x)} = \lim_{x \to 0^+} \frac{e^x - 1}{(1 \cdot e^x + x e^x) - 1} = \lim_{x \to 0^+} \frac{e^x - 1}{e^x + x e^x - 1}

x0+x \to 0^+ 時,分子為 00,分母為 00,仍為 00\frac{0}{0} 型。再次對分子分母求導(第二次使用羅必達法則):

L=limx0+ddx(ex1)ddx(ex+xex1)=limx0+exex+(1ex+xex)=limx0+ex2ex+xexL = \lim_{x \to 0^+} \frac{\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}(e^x - 1)}{\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}(e^x + x e^x - 1)} = \lim_{x \to 0^+} \frac{e^x}{e^x + (1 \cdot e^x + x e^x)} = \lim_{x \to 0^+} \frac{e^x}{2e^x + x e^x}

代入 x=0x = 0

L=e02e0+0e0=12+0=12L = \frac{e^0}{2e^0 + 0 \cdot e^0} = \frac{1}{2 + 0} = \frac{1}{2}

結論:

  1. 填入 12\displaystyle \frac{1}{2}