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Find \( \lim _{\theta \rightarrow \frac{\pi}{2}} \frac{\sin ^{2}(2 \theta)}{1-\sin ^{2}(\theta)} \)

Ask by Murphy Garza. in China
Feb 03,2025

Solución de tutoría real

Respuesta verificada por el tutor

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The limit is 4.

Solución

Calculate the limit \( \lim_{\theta \rightarrow \frac{\pi}{2}} \frac{\sin^{2}(2\theta)}{1-\sin^{2}(\theta)} \). Evaluate the limit by following steps: - step0: Evaluate using L'Hopital's rule: \(\lim _{\theta \rightarrow \frac{\pi }{2}}\left(\frac{\sin^{2}\left(2\theta \right)}{1-\sin^{2}\left(\theta \right)}\right)\) - step1: Use the L'Hopital's rule: \(\lim _{\theta \rightarrow \frac{\pi }{2}}\left(\frac{\frac{d}{d\theta}\left(\sin^{2}\left(2\theta \right)\right)}{\frac{d}{d\theta}\left(1-\sin^{2}\left(\theta \right)\right)}\right)\) - step2: Find the derivative: \(\lim _{\theta \rightarrow \frac{\pi }{2}}\left(\frac{4\sin\left(2\theta \right)\cos\left(2\theta \right)}{-2\sin\left(\theta \right)\cos\left(\theta \right)}\right)\) - step3: Simplify the expression: \(\lim _{\theta \rightarrow \frac{\pi }{2}}\left(\frac{-2\cos\left(2\theta \right)\sin\left(2\theta \right)}{\cos\left(\theta \right)\sin\left(\theta \right)}\right)\) - step4: Use the L'Hopital's rule: \(\lim _{\theta \rightarrow \frac{\pi }{2}}\left(\frac{\frac{d}{d\theta}\left(-2\cos\left(2\theta \right)\sin\left(2\theta \right)\right)}{\frac{d}{d\theta}\left(\cos\left(\theta \right)\sin\left(\theta \right)\right)}\right)\) - step5: Find the derivative: \(\lim _{\theta \rightarrow \frac{\pi }{2}}\left(\frac{\left(2\sin\left(2\theta \right)\right)^{2}-4\cos^{2}\left(2\theta \right)}{-\sin^{2}\left(\theta \right)+\cos^{2}\left(\theta \right)}\right)\) - step6: Rewrite the expression: \(\frac{\lim _{\theta \rightarrow \frac{\pi }{2}}\left(\left(2\sin\left(2\theta \right)\right)^{2}-4\cos^{2}\left(2\theta \right)\right)}{\lim _{\theta \rightarrow \frac{\pi }{2}}\left(-\sin^{2}\left(\theta \right)+\cos^{2}\left(\theta \right)\right)}\) - step7: Calculate: \(\frac{-4}{\lim _{\theta \rightarrow \frac{\pi }{2}}\left(-\sin^{2}\left(\theta \right)+\cos^{2}\left(\theta \right)\right)}\) - step8: Calculate: \(\frac{-4}{-1}\) - step9: Calculate: \(4\) The limit of \( \frac{\sin^{2}(2\theta)}{1-\sin^{2}(\theta)} \) as \( \theta \) approaches \( \frac{\pi}{2} \) is 4.

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Bonus Knowledge

To find the limit \[ \lim_{\theta \rightarrow \frac{\pi}{2}} \frac{\sin^{2}(2\theta)}{1 - \sin^{2}(\theta)}, \] we start by simplifying the expression. First, we know that \( 1 - \sin^{2}(\theta) = \cos^{2}(\theta) \). Thus, the limit can be rewritten as: \[ \lim_{\theta \rightarrow \frac{\pi}{2}} \frac{\sin^{2}(2\theta)}{\cos^{2}(\theta)}. \] Next, we substitute \( \sin(2\theta) \) with its identity: \[ \sin(2\theta) = 2\sin(\theta)\cos(\theta). \] So we have: \[ \sin^{2}(2\theta) = [2\sin(\theta)\cos(\theta)]^{2} = 4\sin^{2}(\theta)\cos^{2}(\theta). \] Substituting this back into our limit gives: \[ \frac{\sin^{2}(2\theta)}{\cos^{2}(\theta)} = \frac{4\sin^{2}(\theta)\cos^{2}(\theta)}{\cos^{2}(\theta)}. \] For \( \cos(\theta) \neq 0 \), this simplifies to: \[ 4\sin^{2}(\theta). \] Now, we take the limit of \( 4\sin^{2}(\theta) \) as \( \theta \) approaches \( \frac{\pi}{2} \): \[ \sin\left(\frac{\pi}{2}\right) = 1 \quad \text{therefore} \quad \sin^{2}\left(\frac{\pi}{2}\right) = 1. \] Thus, we calculate: \[ \lim_{\theta \rightarrow \frac{\pi}{2}} 4\sin^{2}(\theta) = 4 \cdot 1 = 4. \] Therefore, the value of the limit is \[ \boxed{4}. \]

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