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109 台灣大學微積分(B) 第 1 題

考題 / 轉學考微積分 / 台灣大學 / 微積分B

109學年度 · 109台大微積分B · 第 1 題

題目

Problem

PART 1: Fill in the blanks.

  • Only answers will be graded.

  • Each answer must be clearly labeled on the answer sheet.

  • 4 points are assigned to each blank.

  1. (a) lim⁡x→∞(1+3x)[x]=(1)‾\displaystyle\lim_{x\to\infty}\left(1+\frac{3}{x}\right)^{[x]} = \underline{\quad(1)\quad}, where [x][x] is the greatest integer which is less than or equal to xx.

(b) lim⁡x→0(cos⁡ax)11−cos⁡bx=(2)‾\displaystyle\lim_{x\to 0}(\cos ax)^{\frac{1}{1-\cos bx}} = \underline{\quad(2)\quad}, where a,ba,b are constants and ab≠0ab\ne 0.

(c) lim⁡n→∞∑i=1n12n1−(i2n)2=(3)‾\displaystyle\lim_{n\to\infty}\sum_{i=1}^n \frac{1}{2n\sqrt{1-\left(\frac{i}{2n}\right)^2}} = \underline{\quad(3)\quad}.

解答

解法一

思路

展開
  • (a) 指數含有取整函數;先用 x−1<[x]≤xx-1<[x]\le x 夾住它,再利用兩端極限相同。
  • (b) 先對整個冪次式取自然對數,把不定型的冪極限化為商的極限。
  • (c) 將和式整理成黎曼和,辨認其對應的定積分。

答題過程

展開

(a) 因為 x→∞x\to\infty 時底數 1+3x>11+\frac3x>1,而且

x−1<[x]≤x,x-1<[x]\le x,

所以

(1+3x)x−1<(1+3x)[x]≤(1+3x)x.\left(1+\frac3x\right)^{x-1} <\left(1+\frac3x\right)^{[x]} \le\left(1+\frac3x\right)^x.

右端的極限為 e3e^3,左端只是再乘上趨近 11 的因子 (1+3x)−1\left(1+\frac3x\right)^{-1},極限也為 e3e^3。由夾擠定理,

(1)=e3.\boxed{(1)=e^3}.

(b) 設原極限為 LL。利用 ln⁡L\ln L 先處理指數,

ln⁡L= lim⁡x→0ln⁡(cos⁡ax)1−cos⁡bx=L lim⁡x→0−atan⁡axbsin⁡bx= −a2b2.\begin{align*} \ln L =&\,\lim_{x\to0}\frac{\ln(\cos ax)}{1-\cos bx}\\[4mm] \overset{L}{=}&\,\lim_{x\to0}\frac{-a\tan ax}{b\sin bx}\\[4mm] =&\,-\frac{a^2}{b^2}. \end{align*}

因此

(2)=exp⁡(−a2b2).\boxed{(2)=\exp\left(-\frac{a^2}{b^2}\right)}.

(c) 先把根號內的 2n2n 提出:

∑i=1n12n1−(i2n)2= 1n∑i=1n14−(in)2.\begin{align*} \sum_{i=1}^n\frac{1}{2n\sqrt{1-\left(\frac{i}{2n}\right)^2}} =&\,\frac1n\sum_{i=1}^n\frac{1}{\sqrt{4-\left(\frac in\right)^2}}. \end{align*}

這是區間 [0,1][0,1] 上的黎曼和,故極限為

∫0114−x2 dx=sin⁡−1(x2)∣01=π6.\int_0^1\frac{1}{\sqrt{4-x^2}}\,\mathrm{d}x =\left.\sin^{-1}\left(\frac x2\right)\right|_0^1 =\frac\pi6.

故

(3)=π6.\boxed{(3)=\frac\pi6}.