題目
Problem
乙、計算、證明題:共3題,每題12分,共36分。須詳細寫出計算及證明過程,否則不予計分。
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Find the limit or show that the limit does not exist.
(a) (6分) x→(2π)−lim(tanx)cosx.
(b) (6分) (x,y)→(0,0)limx4+y4y2sin2x.
解答
解法一
思路
展開
本題分為兩個小問,分別考察單變數與多變數函數的極限計算。
(a) 計算極限 limx→(2π)−(tanx)cosx
- 此為 ∞0 未定型。
- 對其取自然對數變形: lny=cosxln(tanx)=secxln(tanx)。
- 當 x→(2π)− 時,此式為 ∞∞ 型。
- 套用羅必達法則求導並化簡,得出對數極限為 0,最後再還原成 e0=1。
(b) 探討多變數極限 lim(x,y)→(0,0)x4+y4y2sin2x
- 要證明一個多變數極限不存在,最常用的方法是尋找兩條不同的路徑逼近原點,並展示它們產生的極限值不同。
- 路徑一:沿 x=0 軸。
- 路徑二:沿直線 y=x。
- 比較這兩個極限值即可得出結論。
答題過程
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(a) 求解極限 x→(2π)−lim(tanx)cosx
令待求函數為 y=(tanx)cosx。兩側取自然對數:
lny=cosxln(tanx)=secxln(tanx)
當 x→(2π)− 時, ln(tanx)→∞,且 secx→∞,此為 ∞∞ 未定型。我們使用羅必達法則,對分子分母求導:
x→(2π)−limlny=L.H.==x→(2π)−limdxdsecxdxdln(tanx)x→(2π)−limsecxtanxtanxsec2xx→(2π)−limtan2xsecx
將正割與正切展開為正弦與餘弦:
tan2xsecx=cos2xsin2xcosx1=sin2xcosx
代入極限:
x→(2π)−limlny=x→(2π)−limsin2xcosx=120=0
由於對數極限為 0,我們將其取指數還原:
x→(2π)−lim(tanx)cosx=x→(2π)−limelny=e0=1
(b) 證明多變數極限 (x,y)→(0,0)limx4+y4y2sin2x 不存在
我們通過選擇不同的逼近路徑來研究此極限:
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路徑一:沿 y 軸逼近原點(即令 x=0,且 y→0):
x=0y→0lim04+y4y2sin2(0)=y→0limy40=0
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路徑二:沿直線 y=x 逼近原點(即令 y=x,且 x→0):
y=xx→0limx4+x4x2sin2x=x→0lim2x4x2sin2x=x→0lim21(xsinx)2
利用極限公式 x→0limxsinx=1:
y=xx→0limx4+y4y2sin2x=21(1)2=21
由於從路徑一與路徑二逼近所得到的極限值不相等(即 0=21),故此多變數極限不存在。