Skip to content
CalcGospel 微積分福音
返回

111 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

111學年度 · 111台大微積分B · 第 1 題

題目

Problem

  1. (a) limx05cot(x)+6sin(1/x)7csc(x)8sin(1/x)=(1).\displaystyle\lim_{x\to 0} \frac{5\cot(x) + 6\sin(1/x)}{7\csc(x) - 8\sin(1/x)} = \underline{\quad (1) \quad} \,.

(b) limx0(e2x2x2x2)1x3=(2).\displaystyle\lim_{x\to 0} (e^{2x} - 2x - 2x^2)^{\frac{1}{x^3}} = \underline{\quad (2) \quad} \,.

(c) limnk=1nkn+n2(k2+kn+n2)3/2=(3).\displaystyle\lim_{n\to\infty} \sum_{k=1}^n \frac{kn + n^2}{(k^2+kn+n^2)^{3/2}} = \underline{\quad (3) \quad} \,.

解答

(a)

解法一

思路

展開
  1. 將餘切函數與餘割函數展開為正弦與餘弦: cotx=cosxsinx,cscx=1sinx\cot x = \frac{\cos x}{\sin x}, \quad \csc x = \frac{1}{\sin x}
  2. 將分子與分母同乘 sinx\sin x 進行化簡。
  3. 利用夾擠定理判定 limx0sinxsin(1/x)=0\lim_{x\to 0} \sin x \sin(1/x) = 0
  4. 代入極限值求得答案。

答題過程

展開

原極限式展開:

limx05cot(x)+6sin(1/x)7csc(x)8sin(1/x)=limx05cosxsinx+6sin(1/x)7sinx8sin(1/x)\lim_{x\to 0} \frac{5\cot(x) + 6\sin(1/x)}{7\csc(x) - 8\sin(1/x)} = \lim_{x\to 0} \frac{5\frac{\cos x}{\sin x} + 6\sin(1/x)}{\frac{7}{\sin x} - 8\sin(1/x)}

分子與分母同乘以 sinx\sin x

=limx05cosx+6sinxsin(1/x)78sinxsin(1/x)= \lim_{x\to 0} \frac{5\cos x + 6\sin x \sin(1/x)}{7 - 8\sin x \sin(1/x)}

由於當 x0x \to 0 時,對任意 x0x \neq 0

1sin(1/x)1    sinxsinxsin(1/x)sinx-1 \le \sin(1/x) \le 1 \implies -|\sin x| \le \sin x \sin(1/x) \le |\sin x|

且因為 limx0sinx=0\lim_{x\to 0} |\sin x| = 0,由夾擠定理(Squeeze Theorem)可知:

limx0sinxsin(1/x)=0\lim_{x\to 0} \sin x \sin(1/x) = 0

因此,原極限為:

5cos(0)+6(0)78(0)=5(1)7=57\frac{5\cos(0) + 6(0)}{7 - 8(0)} = \frac{5(1)}{7} = \boxed{\frac{5}{7}}

(b)

解法一

思路

展開
  • 泰勒級數法(推薦):將 e2xe^{2x} 用麥克勞林公式展開至 x3x^3 項,可直接求出極限,極具效率。
  • 羅必達法則:利用對數性質將指數式轉換為分數形式,連續使用羅必達法則求極限。

答題過程

展開
泰勒級數法

考慮 eue^u 的麥克勞林展開式:

eu=1+u+u22!+u33!+O(u4)e^u = 1 + u + \frac{u^2}{2!} + \frac{u^3}{3!} + O(u^4)

u=2xu = 2x,展開至 x3x^3 項:

e2x=1+2x+2x2+43x3+O(x4)e^{2x} = 1 + 2x + 2x^2 + \frac{4}{3}x^3 + O(x^4)

代入原極限括號內:

e2x2x2x2=1+43x3+O(x4)e^{2x} - 2x - 2x^2 = 1 + \frac{4}{3}x^3 + O(x^4)

原極限式可寫為:

limx0(e2x2x2x2)1x3=limx0(1+43x3+O(x4))1x3\lim_{x\to 0} \left( e^{2x} - 2x - 2x^2 \right)^{\frac{1}{x^3}} = \lim_{x\to 0} \left( 1 + \frac{4}{3}x^3 + O(x^4) \right)^{\frac{1}{x^3}}

利用重要極限公式 limt0(1+kt)1t=ek\lim_{t\to 0} (1+kt)^{\frac{1}{t}} = e^k

=e4/3= \boxed{e^{4/3}}

解法二

思路

展開

利用對數性質將指數式轉換為分數形式,再使用羅必達法則求極限。

答題過程

展開
對數羅必達法則

y=(e2x2x2x2)1x3y = (e^{2x} - 2x - 2x^2)^{\frac{1}{x^3}},取對數:

lny=ln(e2x2x2x2)x3\ln y = \frac{\ln(e^{2x} - 2x - 2x^2)}{x^3}

x0x \to 0 時,此極限為 00\frac{0}{0} 型。利用羅必達法則:

limx0lny=limx0ddxln(e2x2x2x2)3x2=limx02e2x24x3x2(e2x2x2x2)\lim_{x\to 0} \ln y = \lim_{x\to 0} \frac{\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\ln(e^{2x}-2x-2x^2)}{3x^2} = \lim_{x\to 0} \frac{2e^{2x}-2-4x}{3x^2(e^{2x}-2x-2x^2)}

拆分為兩部分:

=(limx01e2x2x2x2)(limx02e2x4x23x2)= \left( \lim_{x\to 0} \frac{1}{e^{2x}-2x-2x^2} \right) \cdot \left( \lim_{x\to 0} \frac{2e^{2x}-4x-2}{3x^2} \right)

第一項極限值為 11。對第二項使用羅必達法則(仍為 00\frac{0}{0} 型):

limx02e2x4x23x2=L.H.limx04e2x46x=L.H.limx08e2x6=86=43\lim_{x\to 0} \frac{2e^{2x}-4x-2}{3x^2} \stackrel{\text{L.H.}}{=} \lim_{x\to 0} \frac{4e^{2x}-4}{6x} \stackrel{\text{L.H.}}{=} \lim_{x\to 0} \frac{8e^{2x}}{6} = \frac{8}{6} = \frac{4}{3}

limx0lny=143=43\lim_{x\to 0} \ln y = 1 \cdot \frac{4}{3} = \frac{4}{3},所以:

limx0y=e4/3\lim_{x\to 0} y = \boxed{e^{4/3}}

(c)

解法一

思路

展開
  1. 將級數通項提取 n2n^2 以及分母的 n3n^3,整理為包含 k/nk/n 形式的黎曼和(Riemann Sum)。
  2. 將黎曼和轉換為定積分: 01x+1(x2+x+1)3/2dx\int_0^1 \frac{x+1}{(x^2+x+1)^{3/2}}\,\mathrm{d}x
  3. 將分子拆分為常數倍的被積項導數,分別以代換法與三角代換法求解積分。

答題過程

展開

將通項進行分子分母同除以 n3n^3 整理:

limnk=1nkn+n2(k2+kn+n2)3/2=limnk=1nn2(k/n+1)[n2((k/n)2+k/n+1)]3/2=limnk=1n1nk/n+1((k/n)2+k/n+1)3/2\begin{align*} &\, \lim_{n\to\infty} \sum_{k=1}^n \frac{kn + n^2}{(k^2+kn+n^2)^{3/2}} \\[4mm] =&\, \lim_{n\to\infty} \sum_{k=1}^n \frac{n^2 (k/n + 1)}{\left[n^2 \left((k/n)^2 + k/n + 1\right)\right]^{3/2}} \\[4mm] =&\, \lim_{n\to\infty} \sum_{k=1}^n \frac{1}{n} \cdot \frac{k/n + 1}{\left((k/n)^2 + k/n + 1\right)^{3/2}} \end{align*}

此為定積分的黎曼和表示式:

=01x+1(x2+x+1)3/2dx= \int_0^1 \frac{x+1}{(x^2+x+1)^{3/2}}\,\mathrm{d}x

為求該定積分,我們將分子拆分:

x+1=12(2x+1)+12x + 1 = \frac{1}{2}(2x + 1) + \frac{1}{2}

則積分式拆為:

01x+1(x2+x+1)3/2dx=12012x+1(x2+x+1)3/2dxI1+12011(x2+x+1)3/2dxI2\int_0^1 \frac{x+1}{(x^2+x+1)^{3/2}}\,\mathrm{d}x = \underbrace{\frac{1}{2} \int_0^1 \frac{2x+1}{(x^2+x+1)^{3/2}}\,\mathrm{d}x}_{I_1} + \underbrace{\frac{1}{2} \int_0^1 \frac{1}{(x^2+x+1)^{3/2}}\,\mathrm{d}x}_{I_2}

計算 I1I_1u=x2+x+1    du=(2x+1)dxu = x^2+x+1 \implies \mathrm{d}u = (2x+1)\,\mathrm{d}x

I1=1213u3/2du=12[2u1/2]13=(131)=113I_1 = \frac{1}{2} \int_1^3 u^{-3/2}\,\mathrm{d}u = \frac{1}{2} \left[ -2u^{-1/2} \right]_1^3 = -\left( \frac{1}{\sqrt{3}} - 1 \right) = 1 - \frac{1}{\sqrt{3}}

計算 I2I_2 將分母配方:

x2+x+1=(x+12)2+34x^2+x+1 = \left(x+\frac{1}{2}\right)^2 + \frac{3}{4}

x+12=32tanθ    dx=32sec2θdθx + \frac{1}{2} = \frac{\sqrt{3}}{2} \tan\theta \implies \mathrm{d}x = \frac{\sqrt{3}}{2} \sec^2\theta\,\mathrm{d}\theta

  • x=0    tanθ=13    θ=π6x=0 \implies \tan\theta = \frac{1}{\sqrt{3}} \implies \theta = \frac{\pi}{6}
  • x=1    tanθ=3    θ=π3x=1 \implies \tan\theta = \sqrt{3} \implies \theta = \frac{\pi}{3}
I2=12π/6π/332sec2θ(34sec2θ)3/2dtheta=12π/6π/332sec2θ338sec3θdθ=1243π/6π/3cosθdθ=23[sinθ]π/6π/3=23(3212)=1313\begin{align*} I_2 =&\, \frac{1}{2} \int_{\pi/6}^{\pi/3} \frac{\frac{\sqrt{3}}{2} \sec^2\theta}{\left(\frac{3}{4}\sec^2\theta\right)^{3/2}}\,\mathrm{d}theta \\[4mm] =&\, \frac{1}{2} \int_{\pi/6}^{\pi/3} \frac{\frac{\sqrt{3}}{2} \sec^2\theta}{\frac{3\sqrt{3}}{8} \sec^3\theta}\,\mathrm{d}\theta \\[4mm] =&\, \frac{1}{2} \cdot \frac{4}{3} \int_{\pi/6}^{\pi/3} \cos\theta\,\mathrm{d}\theta \\[4mm] =&\, \frac{2}{3} \left[ \sin\theta \right]_{\pi/6}^{\pi/3} = \frac{2}{3} \left( \frac{\sqrt{3}}{2} - \frac{1}{2} \right) = \frac{1}{\sqrt{3}} - \frac{1}{3} \end{align*}

合併結果:

01x+1(x2+x+1)3/2dx=I1+I2=(113)+(1313)=23\int_0^1 \frac{x+1}{(x^2+x+1)^{3/2}}\,\mathrm{d}x = I_1 + I_2 = \left( 1 - \frac{1}{\sqrt{3}} \right) + \left( \frac{1}{\sqrt{3}} - \frac{1}{3} \right) = \boxed{\frac{2}{3}}