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108 台灣大學微積分(C) 第 7 題

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108學年度 · 108台大微積分C · 第 7 題

題目

7. lim⁡x→0(sin⁡x)(cos⁡x−1)=?\lim_{x\to 0}(\sin x)^{(\cos x-1)}=?
題目勘誤

官方原題:lim⁡x→0(sin⁡x)cos⁡x−1\displaystyle\lim_{x\to0}(\sin x)^{\cos x-1},未指定單側極限。

實際上應為:在實數範圍,x<0x<0 且接近 00 時有 sin⁡x<0\sin x<0,而非整數實數冪 (sin⁡x)cos⁡x−1(\sin x)^{\cos x-1} 一般沒有實數意義,因此兩側極限不能按實函數定義成立。若改為 x→0+x\to0^+(或把底數改為 ∣sin⁡x∣|\sin x|),極限才是 11。

本頁保留官方原題,並分別說明原題與右極限的結果,未替換原題條件。

解答

解法一

思路

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先檢查冪函數在實數範圍是否有定義。原題的左側沒有定義域;若按常見命題意圖改看右極限,才可取對數計算。

答題過程

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當 x<0x<0 且充分接近 00 時,sin⁡x<0\sin x<0。但指數 cos⁡x−1\cos x-1 通常不是整數,所以 (sin⁡x)cos⁡x−1(\sin x)^{\cos x-1} 並非實數函數。故依原題所寫的雙側極限,答案是

不存在(左側在實數範圍無定義).\boxed{\text{不存在(左側在實數範圍無定義)}}.

若題目原意是右極限 x→0+x\to0^+,令

y=(sin⁡x)cos⁡x−1.y=(\sin x)^{\cos x-1}.

此時 sin⁡x>0\sin x>0,可取對數:

ln⁡y=(cos⁡x−1)ln⁡(sin⁡x).\ln y=(\cos x-1)\ln(\sin x).

又 cos⁡x−1∼−x22\cos x-1\sim-\frac{x^2}{2},而 ln⁡(sin⁡x)∼ln⁡x\ln(\sin x)\sim\ln x,所以

lim⁡x→0+(cos⁡x−1)ln⁡(sin⁡x)=0.\lim_{x\to0^+}(\cos x-1)\ln(\sin x)=0.

因此右極限為 exp⁡(0)=1\exp(0)=\boxed{1}。