題目
Problem
一、填充題:共 8 題,每題 8 分,共 64 分。
- Find the limit x→0+lim(cos(2x))x2.
解答
解法一:對數極限與羅必達法則
思路
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- 本題求 x→0+lim(cos(2x))2/x,這是一個 1∞ 型的未定式。
- 對於 1∞ 型未定式,我們可以使用對數法將其化為 exp(limlnf(x)) 的形式。
- 令 y=(cos(2x))2/x,則其自然對數為:
lny=x2ln(cos(2x))
- 為了簡化計算,令 u=x。當 x→0+ 時,u→0+。極限式變為:
limu→0+u22ln(cos(2u))
- 這是一個 00 型未定式,可利用羅必達法則(L’Hôpital’s Rule)求導或使用泰勒展開式:
- 使用羅必達法則:
limu→0+2u2⋅cos(2u)−2sin(2u)=limu→0+u−2tan(2u)=−4
- 因此,原極限值為 e−4。
答題過程
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給定極限:
L=x→0+lim(cos(2x))x2
此為 1∞ 型未定式。我們考慮其對數極限,令:
lnL=x→0+limln[(cos(2x))x2]=x→0+limx2ln(cos(2x))
為了便於求導,我們進行變數代換。令 u=x。
當 x→0+ 時, u→0+,且 x=u2。代入得:
lnL=u→0+limu22ln(cos(2u))
當 u→0+ 時,分子為 2ln(cos(0))=0,分母為 0,屬於 00 型未定式。
我們使用羅必達法則(L’Hôpital’s Rule)對分子與分母分別求導:
lnL=u→0+limdud[u2]dud[2ln(cos(2u))]
=u→0+lim2u2⋅cos(2u)1⋅(−sin(2u)⋅2)
=u→0+lim2u−4tan(2u)=u→0+limu−2tan(2u)
由於 u→0+lim2utan(2u)=1,上式可直接求得:
lnL=−2⋅2⋅u→0+lim2utan(2u)=−4⋅1=−4
(亦可再使用一次羅必達法則,得到相同結果: u→0+lim1−2sec2(2u)⋅2=−4)。
因此,原極限值為:
L=elnL=e−4
結論:
- 填入 e−4。