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113 台聯大微積分(A3/A4/A6) 第 10 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 10 題

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。

  1. Find the limit or show that the limit does not exist.

    (a) (6分) limx(π2)(tanx)cosx\displaystyle \lim_{x \to (\frac{\pi}{2})^-} (\tan x)^{\cos x}.

    (b) (6分) lim(x,y)(0,0)y2sin2xx4+y4\displaystyle \lim_{(x, y) \to (0, 0)} \frac{y^2 \sin^2 x}{x^4 + y^4}.

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(π2)(tanx)cosx\lim_{x \to (\frac{\pi}{2})^-} (\tan x)^{\cos x}

  • 此為 0\infty^0 未定型。
  • 對其取自然對數變形: lny=cosxln(tanx)=ln(tanx)secx\ln y = \cos x \ln(\tan x) = \frac{\ln(\tan x)}{\sec x}
  • x(π2)x \to (\frac{\pi}{2})^- 時,此式為 \frac{\infty}{\infty} 型。
  • 套用羅必達法則求導並化簡,得出對數極限為 00,最後再還原成 e0=1e^0 = 1

(b) 探討多變數極限 lim(x,y)(0,0)y2sin2xx4+y4\lim_{(x, y) \to (0, 0)} \frac{y^2 \sin^2 x}{x^4 + y^4}

  • 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=0x = 0
  • 路徑二:沿直線 y=xy = x
  • 比較這兩個極限值即可得出結論。

答題過程

展開

(a) 求解極限 limx(π2)(tanx)cosx\displaystyle \lim_{x \to (\frac{\pi}{2})^-} (\tan x)^{\cos x}

令待求函數為 y=(tanx)cosxy = (\tan x)^{\cos x}。兩側取自然對數:

lny=cosxln(tanx)=ln(tanx)secx\ln y = \cos x \ln(\tan x) = \frac{\ln(\tan x)}{\sec x}

x(π2)x \to \left(\frac{\pi}{2}\right)^- 時, ln(tanx)\ln(\tan x) \to \infty,且 secx\sec x \to \infty,此為 \frac{\infty}{\infty} 未定型。我們使用羅必達法則,對分子分母求導:

limx(π2)lny=L.H.limx(π2)ddxln(tanx)ddxsecx=limx(π2)sec2xtanxsecxtanx=limx(π2)secxtan2x\begin{align*} \lim_{x \to \left(\frac{\pi}{2}\right)^-} \ln y \stackrel{\text{L.H.}}{=}&\, \lim_{x \to \left(\frac{\pi}{2}\right)^-} \frac{\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} \ln(\tan x)}{\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} \sec x} \\[4mm] =&\, \lim_{x \to \left(\frac{\pi}{2}\right)^-} \frac{\frac{\sec^2 x}{\tan x}}{\sec x \tan x} \\[4mm] =&\, \lim_{x \to \left(\frac{\pi}{2}\right)^-} \frac{\sec x}{\tan^2 x} \end{align*}

將正割與正切展開為正弦與餘弦:

secxtan2x=1cosxsin2xcos2x=cosxsin2x\frac{\sec x}{\tan^2 x} = \frac{\frac{1}{\cos x}}{\frac{\sin^2 x}{\cos^2 x}} = \frac{\cos x}{\sin^2 x}

代入極限:

limx(π2)lny=limx(π2)cosxsin2x=012=0\lim_{x \to \left(\frac{\pi}{2}\right)^-} \ln y = \lim_{x \to \left(\frac{\pi}{2}\right)^-} \frac{\cos x}{\sin^2 x} = \frac{0}{1^2} = 0

由於對數極限為 00,我們將其取指數還原:

limx(π2)(tanx)cosx=limx(π2)elny=e0=1\lim_{x \to \left(\frac{\pi}{2}\right)^-} (\tan x)^{\cos x} = \lim_{x \to \left(\frac{\pi}{2}\right)^-} e^{\ln y} = e^0 = 1

(b) 證明多變數極限 lim(x,y)(0,0)y2sin2xx4+y4\displaystyle \lim_{(x, y) \to (0, 0)} \frac{y^2 \sin^2 x}{x^4 + y^4} 不存在

我們通過選擇不同的逼近路徑來研究此極限:

  1. 路徑一:沿 yy 軸逼近原點(即令 x=0x = 0,且 y0y \to 0

    limx=0y0y2sin2(0)04+y4=limy00y4=0\lim_{\substack{x = 0 \\ y \to 0}} \frac{y^2 \sin^2(0)}{0^4 + y^4} = \lim_{y \to 0} \frac{0}{y^4} = 0
  2. 路徑二:沿直線 y=xy = x 逼近原點(即令 y=xy = x,且 x0x \to 0

    limy=xx0x2sin2xx4+x4=limx0x2sin2x2x4=limx012(sinxx)2\lim_{\substack{y = x \\ x \to 0}} \frac{x^2 \sin^2 x}{x^4 + x^4} = \lim_{x \to 0} \frac{x^2 \sin^2 x}{2x^4} = \lim_{x \to 0} \frac{1}{2} \left( \frac{\sin x}{x} \right)^2

    利用極限公式 limx0sinxx=1\displaystyle \lim_{x \to 0} \frac{\sin x}{x} = 1

    limy=xx0y2sin2xx4+y4=12(1)2=12\lim_{\substack{y = x \\ x \to 0}} \frac{y^2 \sin^2 x}{x^4 + y^4} = \frac{1}{2} (1)^2 = \frac{1}{2}

由於從路徑一與路徑二逼近所得到的極限值不相等(即 0120 \neq \frac{1}{2}),故此多變數極限不存在。