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112 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

112學年度 · 112台大微積分B · 第 1 題

題目

Problem

  1. Evaluate
limx0(x+42tan1(πx))=(1).\lim_{x \to 0} \left( \frac{\sqrt{x + 4} - 2}{\tan^{-1}(\pi x)} \right) = \underline{\quad (1) \quad} \,.

解答

解法一

思路

展開
  1. x0x \to 0 時,分子為 42=0\sqrt{4} - 2 = 0,分母為 tan1(0)=0\tan^{-1}(0) = 0,此為 00\frac{0}{0} 型未定式。
  2. 我們可以直接使用羅必達法則 (L’Hôpital’s Rule) 進行極限計算。
  3. 第一步:求分子與分母的導數
    • 分子求導: ddx(x+42)=12x+4\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}(\sqrt{x+4}-2) = \frac{1}{2\sqrt{x+4}}
    • 分母求導: ddx(tan1(πx))=π1+(πx)2\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}(\tan^{-1}(\pi x)) = \frac{\pi}{1+(\pi x)^2}
  4. 第二步:求導後極限值limx012x+4π1+(πx)2=124π1+0=1/4π=14π\lim_{x\to 0} \frac{\frac{1}{2\sqrt{x+4}}}{\frac{\pi}{1+(\pi x)^2}} = \frac{\frac{1}{2\sqrt{4}}}{\frac{\pi}{1+0}} = \frac{1/4}{\pi} = \frac{1}{4\pi}

答題過程

展開

原極限為 00\frac{0}{0} 型未定式。我們使用羅必達法則,對分子與分母分別關於 xx 求導:

limx0x+42tan1(πx)=L.H.limx0ddx(x+42)ddx(tan1(πx))\lim_{x \to 0} \frac{\sqrt{x + 4} - 2}{\tan^{-1}(\pi x)} \stackrel{\text{L.H.}}{=} \lim_{x \to 0} \frac{\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} \left( \sqrt{x + 4} - 2 \right)}{\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} \left( \tan^{-1}(\pi x) \right)}

計算導函數項目:

  • 分子: ddx(x+42)=12x+4\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} \left( \sqrt{x + 4} - 2 \right) = \frac{1}{2\sqrt{x + 4}}
  • 分母: ddx(tan1(πx))=11+(πx)2π=π1+π2x2\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} \left( \tan^{-1}(\pi x) \right) = \frac{1}{1 + (\pi x)^2} \cdot \pi = \frac{\pi}{1 + \pi^2 x^2}

將導函數代回極限式中:

limx0x+42tan1(πx)=limx012x+4π1+π2x2\lim_{x \to 0} \frac{\sqrt{x + 4} - 2}{\tan^{-1}(\pi x)} = \lim_{x \to 0} \frac{\frac{1}{2\sqrt{x + 4}}}{\frac{\pi}{1 + \pi^2 x^2}}

代入 x=0x = 0

120+4π1+0=14π=14π\frac{\frac{1}{2\sqrt{0 + 4}}}{\frac{\pi}{1 + 0}} = \frac{\frac{1}{4}}{\pi} = \frac{1}{4\pi}

結論: (1) 處應填入 14π\displaystyle \frac{1}{4\pi}