題目
Problem
Evaluate the limit
x→0limx31+tan3x−1+sin3x=(1).
解答
解法一
思路
展開
- 當 x→0 時,分子 1+tan3x−1+sin3x→1−1=0,分母 x3→0,這是一個 00 不定型。
- 對於包含根式差 a−b 的極限,我們可以使用有理化將其化簡。
- 分子分母同乘以共軛項 1+tan3x+1+sin3x:
x31+tan3x−1+sin3x==x3(1+tan3x+1+sin3x)(1+tan3x)−(1+sin3x)x3(1+tan3x+1+sin3x)tan3x−sin3x
- 當 x→0 時,括弧內的共軛項趨近於 1+1=2。因此我們只需要求出主要部分 limx→0x3tan3x−sin3x 的極限。
- 為了計算 tan3x−sin3x 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+31u3+O(u5)
- sinu=u−61u3+O(u5)
- 將 u=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:
=====x→0limx31+tan3x−1+sin3xx→0limx3(1+tan3x+1+sin3x)(1+tan3x−1+sin3x)(1+tan3x+1+sin3x)x→0limx3(1+tan3x+1+sin3x)(1+tan3x)−(1+sin3x)x→0limx3tan3x−sin3x⋅x→0lim1+tan3x+1+sin3x1x→0limx3tan3x−sin3x⋅1+0+1+0121x→0limx3tan3x−sin3x
接著,我們利用麥克勞林級數展開式來求 tan3x−sin3x 在 x→0 時的近似式。
已知當 u→0 時:
tanu=sinu=u+31u3+O(u5)u−61u3+O(u5)
將 u=3x 代入上述公式:
tan3x=sin3x=(3x)+31(3x)3+O(x5)=3x+9x3+O(x5)(3x)−61(3x)3+O(x5)=3x−29x3+O(x5)
將兩者相減:
tan3x−sin3x===(3x+9x3+O(x5))−(3x−29x3+O(x5))(9+29)x3+O(x5)227x3+O(x5)
將此結果代回極限式:
21x→0limx3tan3x−sin3x===21x→0limx3227x3+O(x5)21⋅227427
因此,第 (1) 格答案為 \frac{27}{4}。