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113 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

113學年度 · 113微積分A3/A4/A6 · 第 1 題

題目

Problem

甲、填充題:共8題,每題8分,共64分。請在答案卷上列出題號依序作答。

  1. Evaluate the limit:
limx21x24x2sinttdt.\lim_{x \to 2} \frac{1}{x - 2} \int_4^{x^2} \frac{\sin t}{t} \,\mathrm{d}t \,.

解答

解法一

思路

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  1. 本題求當 x2x \to 2 時的極限。原式可重寫為: limx24x2sinttdtx2\lim_{x \to 2} \frac{\int_4^{x^2} \frac{\sin t}{t} \,\mathrm{d}t}{x - 2}
  2. x=2x = 2 時,上限 x2=4x^2 = 4,分子積分式為 44=0\int_4^4 = 0,分母為 22=02 - 2 = 0,此為 00\frac{0}{0} 型的未定式。
  3. 第一步:使用羅必達法則與微積分基本定理
    • 對分母求導: ddx(x2)=1\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}(x - 2) = 1
    • 對分子求導,應用微積分基本定理的第一形式與連鎖律: ddx4x2sinttdt=sin(x2)x2ddx(x2)=sin(x2)x22x\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} \int_4^{x^2} \frac{\sin t}{t} \,\mathrm{d}t = \frac{\sin(x^2)}{x^2} \cdot \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}(x^2) = \frac{\sin(x^2)}{x^2} \cdot 2x
  4. 第二步:求導後帶入 x=2x = 2 求解

答題過程

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我們將待求極限式表示成分式形式:

L=limx24x2sinttdtx2L = \lim_{x \to 2} \frac{\int_4^{x^2} \frac{\sin t}{t} \,\mathrm{d}t}{x - 2}

x2x \to 2 時,分子與分母均趨近於 00,此為 00\frac{0}{0} 型未定式。我們使用羅必達法則(L’Hôpital’s Rule),對分子與分母分別關於 xx 求導:

  • 分母求導ddx(x2)=1\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}(x - 2) = 1
  • 分子求導: 根據萊布尼茲法則(微積分基本定理第一形式與連鎖律): ddx4x2sinttdt=sin(x2)x2ddx(x2)=sin(x2)x22x\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} \int_4^{x^2} \frac{\sin t}{t} \,\mathrm{d}t = \frac{\sin(x^2)}{x^2} \cdot \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left(x^2\right) = \frac{\sin(x^2)}{x^2} \cdot 2x

將求導結果代回極限式中:

L=L.H.limx2sin(x2)x22x1=limx22sin(x2)xL \stackrel{\text{L.H.}}{=} \lim_{x \to 2} \frac{\frac{\sin(x^2)}{x^2} \cdot 2x}{1} = \lim_{x \to 2} \frac{2\sin(x^2)}{x}

代入 x=2x = 2

L=2sin(4)2=sin4L = \frac{2\sin(4)}{2} = \sin 4

結論:

  1. 填入 sin4\sin 4