Calculus · real student question

求 x 趨近 2 時 (根號 (3x − 2) 加根號 (x − 1) 減 3) 除以 (x 平方減 4) 的極限。

Question

limx23x2+x13x24\lim_{x\to 2}\frac{\sqrt{3x-2}+\sqrt{x-1}-3}{x^2-4}

Step-by-step solution

  1. 先代入 x=2x=2 辨認不定型。 用任何技巧之前都要先檢查:

    numerator=3(2)2+213=4+13=2+13=0\text{numerator}=\sqrt{3(2)-2}+\sqrt{2-1}-3=\sqrt4+\sqrt1-3=2+1-3=0

    denominator=224=0\text{denominator}=2^2-4=0

    所以是 00\tfrac00 型。這是好消息不是壞消息:它保證因式 (x2)(x-2) 同時藏在分子和分母裡,可以約掉。另外注意 x=2x=2 舒服地待在定義域內,因為在 x=2x=2 附近 3x2>03x-2>0x1>0x-1>0

  2. 把分子拆開,讓每個根號各自減掉自己的值。 常數 3-3 恰好是 (2+1)-(2+1),也就是兩個根式在 x=2x=2 的值之和。這樣改寫後,兩個根式可以分開處理:

    3x2+x13=(3x22)0+(x11)0\sqrt{3x-2}+\sqrt{x-1}-3=\underbrace{\big(\sqrt{3x-2}-2\big)}_{\to\,0}+\underbrace{\big(\sqrt{x-1}-1\big)}_{\to\,0}

    這是關鍵的一步。想一口氣把三項的分子有理化只會弄得一團亂;拆開之後,一個難極限就變成兩個簡單的共軛問題。

  3. 用共軛式分別有理化。 乘上   +  +\frac{\sqrt{\;}+\text{值}}{\sqrt{\;}+\text{值}} 可以把根號之差變成平方差:

    3x22=(3x2)43x2+2=3(x2)3x2+2\sqrt{3x-2}-2=\frac{(3x-2)-4}{\sqrt{3x-2}+2}=\frac{3(x-2)}{\sqrt{3x-2}+2}

    x11=(x1)1x1+1=x2x1+1\sqrt{x-1}-1=\frac{(x-1)-1}{\sqrt{x-1}+1}=\frac{x-2}{\sqrt{x-1}+1}

    兩塊現在都帶著明顯的因式 (x2)(x-2) —— 正是分母裡也有的那個因式。

  4. 約掉公因式 (x2)(x-2) 把分母用平方差分解成 x24=(x2)(x+2)x^2-4=(x-2)(x+2),再合併:

    3x2+x13x24=(x2)[33x2+2+1x1+1](x2)(x+2)\frac{\sqrt{3x-2}+\sqrt{x-1}-3}{x^2-4}=\frac{(x-2)\left[\dfrac{3}{\sqrt{3x-2}+2}+\dfrac{1}{\sqrt{x-1}+1}\right]}{(x-2)(x+2)}

    =1x+2[33x2+2+1x1+1]=\frac{1}{x+2}\left[\frac{3}{\sqrt{3x-2}+2}+\frac{1}{\sqrt{x-1}+1}\right]

    可以約掉是合法的,因為極限只在意 x2x\ne2 的情形。

  5. x=2x=2 代進約分後的式子。 已經沒有任何不定型:

    14[32+2+11+1]=14[34+12]=1454=516\frac{1}{4}\left[\frac{3}{2+2}+\frac{1}{1+1}\right]=\frac14\left[\frac34+\frac12\right]=\frac14\cdot\frac54=\frac{5}{16}

  6. 用羅必達法則交叉驗證。 因為原式是 00\tfrac00 型,分子分母各自微分也是合法的:

    limx2323x2+12x12x=34+124=544=516\lim_{x\to2}\frac{\dfrac{3}{2\sqrt{3x-2}}+\dfrac{1}{2\sqrt{x-1}}}{2x}=\frac{\tfrac{3}{4}+\tfrac12}{4}=\frac{\tfrac54}{4}=\frac{5}{16}

    兩條路徑一致。數值抽查也吻合:x=2.00001x=2.00001 時商為 0.31249860.3124986\ldots,而 516=0.3125\tfrac{5}{16}=0.3125

Answer

516\frac{5}{16}

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