題目
Problem
一、填充題:共 8 題,每題 8 分,共 64 分。
- Find the limit x→0+lim(x1−ex−11).
解答
解法一:泰勒級數展開法
思路
展開
- 本題求 x→0+lim(x1−ex−11),這是一個 ∞−∞ 型的未定式。
- 我們可以先將分式通分,化為 x(ex−1)ex−1−x,這是一個 00 型未定式。
- 利用泰勒級數(Taylor Series)將 ex 在 x=0 附近展開:
ex=1+x+2!x2+3!x3+o(x3)
- 代入分子與分母:
- 分子: ex−1−x=2x2+6x3+o(x3)
- 分母: x(ex−1)=x(x+2x2+o(x2))=x2+2x3+o(x3)
- 將分子與分母同除以 x2,再令 x→0+ 即可得到極限值。
答題過程
展開
給定極限:
L=x→0+lim(x1−ex−11)
將兩分式通分,化為單一分式:
L=x→0+limx(ex−1)ex−1−x
此時,當 x→0+ 時,分子 e0−1−0=0,分母 0(e0−1)=0,屬於 00 型未定式。
我們利用 ex 的泰勒級數展開式:
ex=1+x+2!x2+3!x3+⋯=1+x+2x2+6x3+⋯
將其代入分子:
ex−1−x=(1+x+2x2+6x3+⋯)−1−x=2x2+6x3+⋯
將其代入分母:
x(ex−1)=x(x+2x2+6x3+⋯)=x2+2x3+⋯
因此,極限式可以寫為:
L=x→0+limx2+2x3+⋯2x2+6x3+⋯
分子與分母同除以 x2:
L=x→0+lim1+2x+⋯21+6x+⋯=1+021+0=21
解法二:羅必達法則(L’Hôpital’s Rule)
同樣先通分為:
L=x→0+limx(ex−1)ex−1−x
對分子與分母分別關於 x 求導(第一次使用羅必達法則):
L=x→0+limdxd(xex−x)dxd(ex−1−x)=x→0+lim(1⋅ex+xex)−1ex−1=x→0+limex+xex−1ex−1
當 x→0+ 時,分子為 0,分母為 0,仍為 00 型。再次對分子分母求導(第二次使用羅必達法則):
L=x→0+limdxd(ex+xex−1)dxd(ex−1)=x→0+limex+(1⋅ex+xex)ex=x→0+lim2ex+xexex
代入 x=0:
L=2e0+0⋅e0e0=2+01=21
結論:
- 填入 21。