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114 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

114學年度 · 114微積分A3/A4/A6 · 第 1 題

題目

Problem

Evaluate the limit

limx01+tan3x1+sin3xx3=(1).\lim_{x \to 0} \frac{\sqrt{1 + \tan 3x} - \sqrt{1 + \sin 3x}}{x^3} = \underline{\quad(1)\quad}.

解答

解法一

思路

展開
  1. x0x \to 0 時,分子 1+tan3x1+sin3x11=0\sqrt{1 + \tan 3x} - \sqrt{1 + \sin 3x} \to 1 - 1 = 0,分母 x30x^3 \to 0,這是一個 00\frac{0}{0} 不定型。
  2. 對於包含根式差 ab\sqrt{a} - \sqrt{b} 的極限,我們可以使用有理化將其化簡。
  3. 分子分母同乘以共軛項 1+tan3x+1+sin3x\sqrt{1 + \tan 3x} + \sqrt{1 + \sin 3x}1+tan3x1+sin3xx3=(1+tan3x)(1+sin3x)x3(1+tan3x+1+sin3x)=tan3xsin3xx3(1+tan3x+1+sin3x)\begin{align*} \frac{\sqrt{1 + \tan 3x} - \sqrt{1 + \sin 3x}}{x^3} =&\, \frac{(1 + \tan 3x) - (1 + \sin 3x)}{x^3 \Big( \sqrt{1 + \tan 3x} + \sqrt{1 + \sin 3x} \Big)} \\[4mm] =&\, \frac{\tan 3x - \sin 3x}{x^3 \Big( \sqrt{1 + \tan 3x} + \sqrt{1 + \sin 3x} \Big)} \end{align*}
  4. x0x \to 0 時,括弧內的共軛項趨近於 1+1=21 + 1 = 2。因此我們只需要求出主要部分 limx0tan3xsin3xx3\lim_{x\to 0} \frac{\tan 3x - \sin 3x}{x^3} 的極限。
  5. 為了計算 tan3xsin3x\tan 3x - \sin 3x 的極限,我們可以使用三角恆等式展開,或者利用常用的麥克勞林級數(泰勒級數)展開:
    • tanu=u+13u3+O(u5)\tan u = u + \frac{1}{3}u^3 + \mathcal{O}(u^5)
    • sinu=u16u3+O(u5)\sin u = u - \frac{1}{6}u^3 + \mathcal{O}(u^5)
  6. u=3xu = 3x 代入展開式,便能消去低階項,快速求得結果。

答題過程

展開

首先,將極限式的分子進行有理化:

limx01+tan3x1+sin3xx3=limx0(1+tan3x1+sin3x)(1+tan3x+1+sin3x)x3(1+tan3x+1+sin3x)=limx0(1+tan3x)(1+sin3x)x3(1+tan3x+1+sin3x)=limx0tan3xsin3xx3limx011+tan3x+1+sin3x=limx0tan3xsin3xx311+0+1+0=12limx0tan3xsin3xx3\begin{align*} &\, \lim_{x \to 0} \frac{\sqrt{1 + \tan 3x} - \sqrt{1 + \sin 3x}}{x^3} \\[4mm] =&\, \lim_{x \to 0} \frac{\Big(\sqrt{1 + \tan 3x} - \sqrt{1 + \sin 3x}\Big)\Big(\sqrt{1 + \tan 3x} + \sqrt{1 + \sin 3x}\Big)}{x^3 \Big(\sqrt{1 + \tan 3x} + \sqrt{1 + \sin 3x}\Big)} \\[4mm] =&\, \lim_{x \to 0} \frac{(1 + \tan 3x) - (1 + \sin 3x)}{x^3 \Big(\sqrt{1 + \tan 3x} + \sqrt{1 + \sin 3x}\Big)} \\[4mm] =&\, \lim_{x \to 0} \frac{\tan 3x - \sin 3x}{x^3} \cdot \lim_{x \to 0} \frac{1}{\sqrt{1 + \tan 3x} + \sqrt{1 + \sin 3x}} \\[4mm] =&\, \lim_{x \to 0} \frac{\tan 3x - \sin 3x}{x^3} \cdot \frac{1}{\sqrt{1+0} + \sqrt{1+0}} \\[4mm] =&\, \frac{1}{2} \lim_{x \to 0} \frac{\tan 3x - \sin 3x}{x^3} \end{align*}

接著,我們利用麥克勞林級數展開式來求 tan3xsin3x\tan 3x - \sin 3xx0x \to 0 時的近似式。 已知當 u0u \to 0 時:

tanu=u+13u3+O(u5)sinu=u16u3+O(u5)\begin{align*} \tan u =&\, u + \frac{1}{3}u^3 + \mathcal{O}(u^5) \\[4mm] \sin u =&\, u - \frac{1}{6}u^3 + \mathcal{O}(u^5) \end{align*}

u=3xu = 3x 代入上述公式:

tan3x=(3x)+13(3x)3+O(x5)=3x+9x3+O(x5)sin3x=(3x)16(3x)3+O(x5)=3x92x3+O(x5)\begin{align*} \tan 3x =&\, (3x) + \frac{1}{3}(3x)^3 + \mathcal{O}(x^5) = 3x + 9x^3 + \mathcal{O}(x^5) \\[4mm] \sin 3x =&\, (3x) - \frac{1}{6}(3x)^3 + \mathcal{O}(x^5) = 3x - \frac{9}{2}x^3 + \mathcal{O}(x^5) \end{align*}

將兩者相減:

tan3xsin3x=(3x+9x3+O(x5))(3x92x3+O(x5))=(9+92)x3+O(x5)=272x3+O(x5)\begin{align*} \tan 3x - \sin 3x =&\, \Big( 3x + 9x^3 + \mathcal{O}(x^5) \Big) - \Big( 3x - \frac{9}{2}x^3 + \mathcal{O}(x^5) \Big) \\[4mm] =&\, \left( 9 + \frac{9}{2} \right) x^3 + \mathcal{O}(x^5) \\[4mm] =&\, \frac{27}{2}x^3 + \mathcal{O}(x^5) \end{align*}

將此結果代回極限式:

12limx0tan3xsin3xx3=12limx0272x3+O(x5)x3=12272=274\begin{align*} \frac{1}{2} \lim_{x \to 0} \frac{\tan 3x - \sin 3x}{x^3} =&\, \frac{1}{2} \lim_{x \to 0} \frac{\frac{27}{2}x^3 + \mathcal{O}(x^5)}{x^3} \\[4mm] =&\, \frac{1}{2} \cdot \frac{27}{2} \\[4mm] =&\, \frac{27}{4} \end{align*}

因此,第 (1) 格答案為 \frac{27}{4}