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112 台聯大微積分(A3/A4/A6) 第 1 題

考題 / 轉學考微積分 / 台聯大 / 微積分A3/A4/A6

112學年度 · 112微積分A3/A4/A6 · 第 1 題

題目

Problem

一、填充題:共 8 題,每題 8 分,共 64 分。

  1. Find the limit lim⁡x→0+(cos⁡(2x))2x\lim\limits_{x \to 0^+} \left( \cos(2\sqrt{x}) \right)^{\frac{2}{x}}.

解答

解法一:對數極限與羅必達法則

思路

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  1. 本題求 lim⁡x→0+(cos⁡(2x))2/x\lim\limits_{x\to 0^+} (\cos(2\sqrt{x}))^{2/x},這是一個 1∞1^\infty 型的未定式。
  2. 對於 1∞1^\infty 型未定式,我們可以使用對數法將其化為 exp⁡(lim⁡ln⁡f(x))\exp(\lim \ln f(x)) 的形式。
  3. 令 y=(cos⁡(2x))2/xy = (\cos(2\sqrt{x}))^{2/x},則其自然對數為: ln⁡y=2xln⁡(cos⁡(2x))\ln y = \frac{2}{x} \ln(\cos(2\sqrt{x}))
  4. 為了簡化計算,令 u=xu = \sqrt{x}。當 x→0+x \to 0^+ 時,u→0+u \to 0^+。極限式變為: lim⁡u→0+2ln⁡(cos⁡(2u))u2\lim_{u\to 0^+} \frac{2 \ln(\cos(2u))}{u^2}
  5. 這是一個 00\frac{0}{0} 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: lim⁡u→0+2⋅−2sin⁡(2u)cos⁡(2u)2u=lim⁡u→0+−2tan⁡(2u)u=−4\lim_{u\to 0^+} \frac{2 \cdot \frac{-2\sin(2u)}{\cos(2u)}}{2u} = \lim_{u\to 0^+} \frac{-2\tan(2u)}{u} = -4
  6. 因此,原極限值為 e−4e^{-4}。

答題過程

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給定極限:

L=lim⁡x→0+(cos⁡(2x))2xL = \lim_{x \to 0^+} \left( \cos(2\sqrt{x}) \right)^{\frac{2}{x}}

此為 1∞1^\infty 型未定式。我們考慮其對數極限,令:

ln⁡L=lim⁡x→0+ln⁡[(cos⁡(2x))2x]=lim⁡x→0+2ln⁡(cos⁡(2x))x\ln L = \lim_{x \to 0^+} \ln \left[ \left( \cos(2\sqrt{x}) \right)^{\frac{2}{x}} \right] = \lim_{x \to 0^+} \frac{2 \ln(\cos(2\sqrt{x}))}{x}

為了便於求導,我們進行變數代換。令 u=xu = \sqrt{x}。 當 x→0+x \to 0^+ 時, u→0+u \to 0^+,且 x=u2x = u^2。代入得:

ln⁡L=lim⁡u→0+2ln⁡(cos⁡(2u))u2\ln L = \lim_{u \to 0^+} \frac{2 \ln(\cos(2u))}{u^2}

當 u→0+u \to 0^+ 時,分子為 2ln⁡(cos⁡(0))=02\ln(\cos(0)) = 0,分母為 00,屬於 00\frac{0}{0} 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:

ln⁡L=lim⁡u→0+ddu[2ln⁡(cos⁡(2u))]ddu[u2]\ln L = \lim_{u \to 0^+} \frac{\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}u}[2 \ln(\cos(2u))]}{\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}u}[u^2]} =lim⁡u→0+2⋅1cos⁡(2u)⋅(−sin⁡(2u)⋅2)2u= \lim_{u \to 0^+} \frac{2 \cdot \frac{1}{\cos(2u)} \cdot (-\sin(2u) \cdot 2)}{2u} =lim⁡u→0+−4tan⁡(2u)2u=lim⁡u→0+−2tan⁡(2u)u= \lim_{u \to 0^+} \frac{-4 \tan(2u)}{2u} = \lim_{u \to 0^+} \frac{-2 \tan(2u)}{u}

由於 lim⁡u→0+tan⁡(2u)2u=1\lim\limits_{u \to 0^+} \frac{\tan(2u)}{2u} = 1,上式可直接求得:

ln⁡L=−2⋅2⋅lim⁡u→0+tan⁡(2u)2u=−4⋅1=−4\ln L = -2 \cdot 2 \cdot \lim_{u \to 0^+} \frac{\tan(2u)}{2u} = -4 \cdot 1 = -4

(亦可再使用一次羅必達法則,得到相同結果: lim⁡u→0+−2sec⁡2(2u)⋅21=−4\lim\limits_{u\to 0^+} \frac{-2 \sec^2(2u) \cdot 2}{1} = -4)。

因此,原極限值為:

L=eln⁡L=e−4L = e^{\ln L} = e^{-4}

結論:

  1. 填入 e−4\displaystyle e^{-4}。