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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

lim⁡x→01+tan⁡3x−1+sin⁡3xx3=(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. 當 x→0x \to 0 時,分子 1+tan⁡3x−1+sin⁡3x→1−1=0\sqrt{1 + \tan 3x} - \sqrt{1 + \sin 3x} \to 1 - 1 = 0,分母 x3→0x^3 \to 0,這是一個 00\frac{0}{0} 不定型。
  2. 對於包含根式差 a−b\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+tan⁡3x+1+sin⁡3x\sqrt{1 + \tan 3x} + \sqrt{1 + \sin 3x}: 1+tan⁡3x−1+sin⁡3xx3= (1+tan⁡3x)−(1+sin⁡3x)x3(1+tan⁡3x+1+sin⁡3x)= tan⁡3x−sin⁡3xx3(1+tan⁡3x+1+sin⁡3x)\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. 當 x→0x \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 lim⁡x→0tan⁡3x−sin⁡3xx3\lim_{x\to 0} \frac{\tan 3x - \sin 3x}{x^3} 的極限。
  5. 為了計算 tan⁡3x−sin⁡3x\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:
    • tan⁡u=u+13u3+O(u5)\tan u = u + \frac{1}{3}u^3 + \mathcal{O}(u^5)
    • sin⁡u=u−16u3+O(u5)\sin u = u - \frac{1}{6}u^3 + \mathcal{O}(u^5)
  6. 將 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:

 lim⁡x→01+tan⁡3x−1+sin⁡3xx3= lim⁡x→0(1+tan⁡3x−1+sin⁡3x)(1+tan⁡3x+1+sin⁡3x)x3(1+tan⁡3x+1+sin⁡3x)= lim⁡x→0(1+tan⁡3x)−(1+sin⁡3x)x3(1+tan⁡3x+1+sin⁡3x)= lim⁡x→0tan⁡3x−sin⁡3xx3⋅lim⁡x→011+tan⁡3x+1+sin⁡3x= lim⁡x→0tan⁡3x−sin⁡3xx3⋅11+0+1+0= 12lim⁡x→0tan⁡3x−sin⁡3xx3\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 tan⁡3x−sin⁡3x\tan 3x - \sin 3x 在 x→0x \to 0 時的近似式。 已知當 u→0u \to 0 時:

tan⁡u= u+13u3+O(u5)sin⁡u= u−16u3+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*}

將 u=3xu = 3x 代入上述公式:

tan⁡3x= (3x)+13(3x)3+O(x5)=3x+9x3+O(x5)sin⁡3x= (3x)−16(3x)3+O(x5)=3x−92x3+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:

tan⁡3x−sin⁡3x= (3x+9x3+O(x5))−(3x−92x3+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:

12lim⁡x→0tan⁡3x−sin⁡3xx3= 12lim⁡x→0272x3+O(x5)x3= 12⋅272= 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}。