題目
Problem
- (a) x→0lim7csc(x)−8sin(1/x)5cot(x)+6sin(1/x)=(1).
(b) x→0lim(e2x−2x−2x2)x31=(2).
(c) n→∞limk=1∑n(k2+kn+n2)3/2kn+n2=(3).
解答
(a)
解法一
思路
展開
- 將餘切函數與餘割函數展開為正弦與餘弦:
cotx=sinxcosx,cscx=sinx1
- 將分子與分母同乘 sinx 進行化簡。
- 利用夾擠定理判定 limx→0sinxsin(1/x)=0。
- 代入極限值求得答案。
答題過程
展開
原極限式展開:
x→0lim7csc(x)−8sin(1/x)5cot(x)+6sin(1/x)=x→0limsinx7−8sin(1/x)5sinxcosx+6sin(1/x)
分子與分母同乘以 sinx:
=x→0lim7−8sinxsin(1/x)5cosx+6sinxsin(1/x)
由於當 x→0 時,對任意 x=0:
−1≤sin(1/x)≤1⟹−∣sinx∣≤sinxsin(1/x)≤∣sinx∣
且因為 limx→0∣sinx∣=0,由夾擠定理(Squeeze Theorem)可知:
x→0limsinxsin(1/x)=0
因此,原極限為:
7−8(0)5cos(0)+6(0)=75(1)=75
(b)
解法一
思路
展開
- 泰勒級數法(推薦):將 e2x 用麥克勞林公式展開至 x3 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 eu 的麥克勞林展開式:
eu=1+u+2!u2+3!u3+O(u4)
令 u=2x,展開至 x3 項:
e2x=1+2x+2x2+34x3+O(x4)
代入原極限括號內:
e2x−2x−2x2=1+34x3+O(x4)
原極限式可寫為:
x→0lim(e2x−2x−2x2)x31=x→0lim(1+34x3+O(x4))x31
利用重要極限公式 limt→0(1+kt)t1=ek:
=e4/3
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
設 y=(e2x−2x−2x2)x31,取對數:
lny=x3ln(e2x−2x−2x2)
當 x→0 時,此極限為 00 型。利用羅必達法則:
x→0limlny=x→0lim3x2dxdln(e2x−2x−2x2)=x→0lim3x2(e2x−2x−2x2)2e2x−2−4x
拆分為兩部分:
=(x→0lime2x−2x−2x21)⋅(x→0lim3x22e2x−4x−2)
第一項極限值為 1。對第二項使用羅必達法則(仍為 00 型):
x→0lim3x22e2x−4x−2=L.H.x→0lim6x4e2x−4=L.H.x→0lim68e2x=68=34
故 limx→0lny=1⋅34=34,所以:
x→0limy=e4/3
(c)
解法一
思路
展開
- 將級數通項提取 n2 以及分母的 n3,整理為包含 k/n 形式的黎曼和(Riemann Sum)。
- 將黎曼和轉換為定積分:
∫01(x2+x+1)3/2x+1dx
- 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 n3 整理:
==n→∞limk=1∑n(k2+kn+n2)3/2kn+n2n→∞limk=1∑n[n2((k/n)2+k/n+1)]3/2n2(k/n+1)n→∞limk=1∑nn1⋅((k/n)2+k/n+1)3/2k/n+1
此為定積分的黎曼和表示式:
=∫01(x2+x+1)3/2x+1dx
為求該定積分,我們將分子拆分:
x+1=21(2x+1)+21
則積分式拆為:
∫01(x2+x+1)3/2x+1dx=I121∫01(x2+x+1)3/22x+1dx+I221∫01(x2+x+1)3/21dx
計算 I1:
令 u=x2+x+1⟹du=(2x+1)dx:
I1=21∫13u−3/2du=21[−2u−1/2]13=−(31−1)=1−31
計算 I2:
將分母配方:
x2+x+1=(x+21)2+43
令 x+21=23tanθ⟹dx=23sec2θdθ:
- 當 x=0⟹tanθ=31⟹θ=6π。
- 當 x=1⟹tanθ=3⟹θ=3π。
I2====21∫π/6π/3(43sec2θ)3/223sec2θdtheta21∫π/6π/3833sec3θ23sec2θdθ21⋅34∫π/6π/3cosθdθ32[sinθ]π/6π/3=32(23−21)=31−31
合併結果:
∫01(x2+x+1)3/2x+1dx=I1+I2=(1−31)+(31−31)=32