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111 台灣大學微積分(C) 第 1 題

考題 / 轉學考微積分 / 台灣大學 / 微積分C

111學年度 · 111台大微積分C · 第 1 題

題目

Problem

  1. Evaluate the limits. (10%)

  • limx0ln(13x2)ex+xcosx=(1).\displaystyle\lim_{x\to 0} \frac{\ln(1-3x^2)}{e^{-x}+x-\cos x} = \underline{\quad (1) \quad} \,.

  • limxln(13x2)ex+xcosx=(2).\displaystyle\lim_{x\to\infty} \frac{\ln(1-3x^2)}{e^{-x}+x-\cos x} = \underline{\quad (2) \quad} \,.

解答

(a)

解法一

思路

展開
  1. x0x \to 0 時,此極限為 00\frac{0}{0} 型未定式。
  2. 使用泰勒級數(麥克勞林級數)展開分子與分母,是求此類極限最快、最不易出錯的方式。
  3. 分子展開: ln(1u)=uu22    ln(13x2)=3x292x4\ln(1-u) = -u - \frac{u^2}{2} - \dots \implies \ln(1-3x^2) = -3x^2 - \frac{9}{2}x^4 - \dots
  4. 分母展開:展開 exe^{-x}cosx\cos x,消去常數與一次項,保留到 x2x^2 以及 x3x^3 項。
  5. 比較分子與分母的最低次項係數即可。

答題過程

展開

原極限在 x0x \to 0 時為 00\frac{0}{0} 型。 考慮分子與分母的麥克勞林展開:

  • 分子

    ln(13x2)=3x292x4+O(x6)\ln(1-3x^2) = -3x^2 - \frac{9}{2}x^4 + O(x^6)
  • 分母

    ex=1x+x22x36+O(x4)e^{-x} = 1 - x + \frac{x^2}{2} - \frac{x^3}{6} + O(x^4) cosx=1x22+O(x4)\cos x = 1 - \frac{x^2}{2} + O(x^4)

    代入分母式:

    ex+xcosx=(1x+x22x36+O(x4))+x(1x22+O(x4))=x2x36+O(x4)e^{-x} + x - \cos x = \left( 1 - x + \frac{x^2}{2} - \frac{x^3}{6} + O(x^4) \right) + x - \left( 1 - \frac{x^2}{2} + O(x^4) \right) = x^2 - \frac{x^3}{6} + O(x^4)

代回原極限式:

limx0ln(13x2)ex+xcosx=limx03x292x4+O(x6)x2x36+O(x4)\lim_{x\to 0} \frac{\ln(1-3x^2)}{e^{-x}+x-\cos x} = \lim_{x\to 0} \frac{-3x^2 - \frac{9}{2}x^4 + O(x^6)}{x^2 - \frac{x^3}{6} + O(x^4)}

分子分母同除以 x2x^2

=limx0392x2+O(x4)1x6+O(x2)=31=3= \lim_{x\to 0} \frac{-3 - \frac{9}{2}x^2 + O(x^4)}{1 - \frac{x}{6} + O(x^2)} = \frac{-3}{1} = \boxed{-3}

(b)

解法一

思路

展開
  1. 對於 limxg(x)\lim_{x\to\infty} g(x),首先必須考慮函數的定義域(Domain)
  2. 分子中有對數項 ln(13x2)\ln(1-3x^2),必須滿足真數大於零: 13x2>01-3x^2 > 0
  3. 這限制了 xx 只能在區間 (13,13)\left(-\frac{1}{\sqrt{3}}, \frac{1}{\sqrt{3}}\right) 內變動。
  4. xx \to \infty 時,自變數已遠遠超出定義域範圍,故極限不存在。

答題過程

展開

考慮函數 f(x)=ln(13x2)ex+xcosxf(x) = \dfrac{\ln(1-3x^2)}{e^{-x}+x-\cos x} 的定義域: 對數函數的真數必須為正,即:

13x2>0    x2<13    13<x<131 - 3x^2 > 0 \implies x^2 < \frac{1}{3} \implies -\frac{1}{\sqrt{3}} < x < \frac{1}{\sqrt{3}}

由於函數只在有限區間 (13,13)\left(-\frac{1}{\sqrt{3}}, \frac{1}{\sqrt{3}}\right) 上有定義,當 xx \to \infty 時,自變數超出定義域,函數無定義。

因此,

limxln(13x2)ex+xcosx不存在 (Does not exist)\lim_{x\to\infty} \frac{\ln(1-3x^2)}{e^{-x}+x-\cos x} \quad \text{不存在 (Does not exist)}

故 (2) 處應填入 不存在\boxed{\text{不存在}}(或 無意義\boxed{\text{無意義}})。