[数学] 函数极限

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[数学] 函数极限

数学-5/20-函数极限#

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求解函数极限的典型方法:

(1) 利用基本极限

(2) 利用无穷小替换

(3) 利用洛必达法则

(4) 利用泰勒公式

(5) 利用导数定义

利用基本极限
T1-n次方差公式

求极限:

I=lim⁡x→0cos⁡x−cos⁡x3x3+tan⁡2xI = \lim_{x\to0}\frac{\sqrt{\cos x}-\sqrt[3]{\cos x}}{x^3+\tan^2x}
题解

有恒等式:

an−bn=(a−b)(an−1+an−2b+⋯+abn−2+bn−1)a^{n}-b^{n}=(a-b)\left(a^{n-1}+a^{n-2}b+\cdots+ab^{n-2}+b^{n-1}\right)

则:

I=lim⁡x→0cos⁡x3x+(tan⁡xx)2⋅cos⁡x6−1x2=lim⁡x→0cos⁡x6−1x2=lim⁡x→0cos⁡x−1x2⋅1cos⁡5x6+cos⁡4x6+⋯+1=−12⋅16=−112.\begin{aligned} I &= \lim_{x \to 0} \frac{\sqrt[3]{\cos x}}{x + \left( \frac{\tan x}{x} \right)^2} \cdot \frac{\sqrt[6]{\cos x} - 1}{x^2} \\ &= \lim_{x \to 0} \frac{\sqrt[6]{\cos x} - 1}{x^2} \\ &= \lim_{x \to 0} \frac{\cos x - 1}{x^2} \cdot \frac{1}{\sqrt[6]{\cos^5 x} + \sqrt[6]{\cos^4 x} + \cdots + 1} \\ &= -\frac{1}{2} \cdot \frac{1}{6} = -\frac{1}{12}. \end{aligned}
T2-积化和差+有理式裂项相消

设 an=∑k=1n−1sin⁡(2k−1)π2ncos⁡2(k−1)π2ncos⁡2kπ2n,n=1,2,⋯a_n = \sum_{k=1}^{n-1} \frac{\sin\frac{(2k-1)\pi}{2n}}{\cos^2\frac{(k-1)\pi}{2n} \cos^2\frac{k\pi}{2n}}, n=1,2,\cdots,求极限:

lim⁡n→∞ann3\lim_{n \to \infty} \frac{a_n}{n^3}
题解ansin⁡π2n=∑k=1n−14sin⁡(2k−1)π2nsin⁡π2n(1+cos⁡k−1nπ)(1+cos⁡knπ)=2∑k=1n−1cos⁡k−1nπ−cos⁡knπ(1+cos⁡k−1nπ)(1+cos⁡knπ)=2∑k=1n−1(11+cos⁡knπ−11+cos⁡k−1nπ)=21+cos⁡n−1nπ−1=cot⁡2π2n,\begin{aligned} a_n \sin \frac{\pi}{2n} &= \sum_{k=1}^{n-1} \frac{4 \sin \frac{(2k-1)\pi}{2n} \sin \frac{\pi}{2n}}{\left(1+\cos \frac{k-1}{n}\pi\right)\left(1+\cos \frac{k}{n}\pi\right)} \\ &= 2 \sum_{k=1}^{n-1} \frac{\cos \frac{k-1}{n}\pi - \cos \frac{k}{n}\pi}{\left(1+\cos \frac{k-1}{n}\pi\right)\left(1+\cos \frac{k}{n}\pi\right)} \\ &= 2 \sum_{k=1}^{n-1}\left(\frac{1}{1+\cos \frac{k}{n}\pi} - \frac{1}{1+\cos \frac{k-1}{n}\pi}\right) \\ &= \frac{2}{1+\cos \frac{n-1}{n}\pi} - 1 = \cot^2 \frac{\pi}{2n}, \end{aligned}

则:

lim⁡n→∞ann3=lim⁡n→∞8π3(π2n)3cos⁡2π2n=8π3.\lim_{n \to \infty} \frac{a_n}{n^3} = \lim_{n \to \infty} \frac{8}{\pi^3} \left(\frac{\pi}{2n}\right)^3 \cos^2 \frac{\pi}{2n} = \frac{8}{\pi^3}.
详细的过程(DeepSeekV4Pro)

第一步:积化和差(分子变形)

这一步的目标是将分子中两个正弦的乘积,变为余弦的差,为后续裂项做准备。

已知公式:

2sin⁡Asin⁡B=cos⁡(A−B)−cos⁡(A+B)2 \sin A \sin B = \cos(A-B) - \cos(A+B)

我们看题目中的分子:

4sin⁡(2k−1)π2nsin⁡π2n4 \sin \frac{(2k-1)\pi}{2n} \sin \frac{\pi}{2n}

我们先提出一个系数 2,凑出公式左边的形式:

4sin⁡(2k−1)π2nsin⁡π2n=2⋅(2sin⁡(2k−1)π2nsin⁡π2n)4 \sin \frac{(2k-1)\pi}{2n} \sin \frac{\pi}{2n} = 2 \cdot \left( 2 \sin \frac{(2k-1)\pi}{2n} \sin \frac{\pi}{2n} \right)

现在,括号里正好是 2 sin A sin B 的形式,其中:

  • A=(2k−1)π2nA = \frac{(2k-1)\pi}{2n}
  • B=π2nB = \frac{\pi}{2n}

应用积化和差公式:

2sin⁡Asin⁡B=cos⁡(A−B)−cos⁡(A+B)2 \sin A \sin B = \cos(A-B) - \cos(A+B)

分别计算 A−BA-B 和 A+BA+B:

  • A−B=(2k−1)π2n−π2n=2k−22nπ=k−1nπA - B = \frac{(2k-1)\pi}{2n} - \frac{\pi}{2n} = \frac{2k-2}{2n}\pi = \frac{k-1}{n}\pi
  • A+B=(2k−1)π2n+π2n=2k2nπ=knπA + B = \frac{(2k-1)\pi}{2n} + \frac{\pi}{2n} = \frac{2k}{2n}\pi = \frac{k}{n}\pi

代入得到:

2sin⁡(2k−1)π2nsin⁡π2n=cos⁡k−1nπ−cos⁡knπ2 \sin \frac{(2k-1)\pi}{2n} \sin \frac{\pi}{2n} = \cos\frac{k-1}{n}\pi - \cos\frac{k}{n}\pi

再把之前提出去的系数 2 乘回来,分子就变形成了:

2(cos⁡k−1nπ−cos⁡knπ)2 \left( \cos\frac{k-1}{n}\pi - \cos\frac{k}{n}\pi \right)

第二步:有理式裂项(构造差式)

这一步的目标,是把形如 cos⁡A−cos⁡B(1+cos⁡A)(1+cos⁡B)\frac{\cos A - \cos B}{(1+\cos A)(1+\cos B)} 的式子,拆成两个简单分式的差。

我们观察第二行求和号里的通项:

cos⁡k−1nπ−cos⁡knπ(1+cos⁡k−1nπ)(1+cos⁡knπ)\frac{\cos \frac{k-1}{n}\pi - \cos \frac{k}{n}\pi}{\left(1+\cos \frac{k-1}{n}\pi\right)\left(1+\cos \frac{k}{n}\pi\right)}

我们可以把它看成 X−Y(1+X)(1+Y)\frac{X - Y}{(1+X)(1+Y)} 的形式。我们做一下恒等变形:

  • 分子 X−YX - Y,可以写成 (1+X)−(1+Y)(1+X) - (1+Y),其中 X=cos⁡k−1nπX = \cos\frac{k-1}{n}\pi,Y=cos⁡knπY = \cos\frac{k}{n}\pi。
  • 因此,
X−Y(1+X)(1+Y)=(1+X)−(1+Y)(1+X)(1+Y)=11+Y−11+X\frac{X - Y}{(1+X)(1+Y)} = \frac{(1+X) - (1+Y)}{(1+X)(1+Y)} = \frac{1}{1+Y} - \frac{1}{1+X}

对应回原题,就是:

cos⁡k−1nπ−cos⁡knπ(1+cos⁡k−1nπ)(1+cos⁡knπ)=11+cos⁡knπ−11+cos⁡k−1nπ\frac{\cos \frac{k-1}{n}\pi - \cos \frac{k}{n}\pi}{\left(1+\cos \frac{k-1}{n}\pi\right)\left(1+\cos \frac{k}{n}\pi\right)} = \frac{1}{1+\cos \frac{k}{n}\pi} - \frac{1}{1+\cos \frac{k-1}{n}\pi}

别忘了前面还有个系数 2,乘上去就得到了第三行的形式。

第三步:裂项相消(求和化简)

这一步,我们把这个差式代入求和号 ∑k=1n−1\sum_{k=1}^{n-1},看看会发生什么。

把通项展开写:

  • k=1k=1 时:11+cos⁡πn−11+cos⁡0\frac{1}{1+\cos\frac{\pi}{n}} - \frac{1}{1+\cos 0}
  • k=2k=2 时:11+cos⁡2πn−11+cos⁡πn\frac{1}{1+\cos\frac{2\pi}{n}} - \frac{1}{1+\cos\frac{\pi}{n}}
  • k=3k=3 时:11+cos⁡3πn−11+cos⁡2πn\frac{1}{1+\cos\frac{3\pi}{n}} - \frac{1}{1+\cos\frac{2\pi}{n}}
  • …
  • k=n−1k=n-1 时:11+cos⁡n−1nπ−11+cos⁡n−2nπ\frac{1}{1+\cos\frac{n-1}{n}\pi} - \frac{1}{1+\cos\frac{n-2}{n}\pi}

正负项交替,除了第一项和最后一项,中间全部抵消。最后剩下的就是:

11+cos⁡n−1nπ−11+cos⁡0\frac{1}{1+\cos\frac{n-1}{n}\pi} - \frac{1}{1+\cos 0}

已知 cos⁡0=1\cos 0 = 1,所以 11+cos⁡0=12\frac{1}{1+\cos 0} = \frac{1}{2}。最终剩下(乘以系数2后):

2(11+cos⁡n−1nπ−12)2\left( \frac{1}{1+\cos\frac{n-1}{n}\pi} - \frac{1}{2} \right)

最后一步:三角化简求值

剩下的项是:

21+cos⁡n−1nπ\frac{2}{1+\cos\frac{n-1}{n}\pi}

注意 n−1nπ=π−πn\frac{n-1}{n}\pi = \pi - \frac{\pi}{n},由诱导公式 cos⁡(π−πn)=−cos⁡πn\cos(\pi - \frac{\pi}{n}) = -\cos\frac{\pi}{n},所以:

21+cos⁡n−1nπ=21−cos⁡πn\frac{2}{1+\cos\frac{n-1}{n}\pi} = \frac{2}{1 - \cos\frac{\pi}{n}}

利用半角公式 1−cos⁡θ=2sin⁡2θ21 - \cos\theta = 2\sin^2\frac{\theta}{2},得到:

21−cos⁡πn=22sin⁡2π2n=csc⁡2π2n\frac{2}{1 - \cos\frac{\pi}{n}} = \frac{2}{2\sin^2\frac{\pi}{2n}} = \csc^2\frac{\pi}{2n}

记得我们还有一个被减掉的项:之前系数2乘进去后,实际上最后完整的表达式是:

21+cos⁡n−1nπ−1=csc⁡2π2n−1=cot⁡2π2n\frac{2}{1+\cos\frac{n-1}{n}\pi} - 1 = \csc^2\frac{\pi}{2n} - 1 = \cot^2\frac{\pi}{2n}
利用无穷小替换
T1-韦达定理

求极限:

I=lim⁡x→+∞[(x+a1)(x+a2)⋯(x+an)n−x]I = \lim_{x\to+\infty}\left[\sqrt[n]{(x+a_1)(x+a_2)\cdots(x+a_n)}-x\right]
题解I=lim⁡x→+∞x[(1+a1x)(1+a2x)⋯(1+anx)n−1]=lim⁡x→+∞x⋅1n[(1+a1x)(1+a2x)⋯(1+anx)−1]\begin{aligned} I &= \lim_{x \to +\infty} x \left[ \sqrt[n]{\left(1+\frac{a_1}{x}\right)\left(1+\frac{a_2}{x}\right) \cdots \left(1+\frac{a_n}{x}\right)} - 1 \right] \\ &= \lim_{x \to +\infty} x \cdot \frac{1}{n} \left[\left(1+\frac{a_1}{x}\right)\left(1+\frac{a_2}{x}\right) \cdots \left(1+\frac{a_n}{x}\right) - 1\right] \end{aligned}

由韦达定理:

(1+a1x)(1+a2x)⋯(1+anx)=1+1x∑k=1nak+b2x2+⋯+bnxn\left(1+\frac{a_1}{x}\right)\left(1+\frac{a_2}{x}\right) \cdots \left(1+\frac{a_n}{x}\right) = 1 + \frac{1}{x} \sum_{k=1}^{n} a_k + \frac{b_2}{x^2} + \cdots + \frac{b_n}{x^n}

代入得:

I=lim⁡x→+∞x(1x∑k=1nak+b2x2+⋯+bnxn)=1n∑k=1nakI = \lim_{x\to+\infty} x \left( \frac{1}{x} \sum_{k=1}^{n} a_k + \frac{b_2}{x^2} + \cdots + \frac{b_n}{x^n} \right) = \frac{1}{n} \sum_{k=1}^{n} a_k
关于韦达定理(DeepSeekV4Pro)

设 t=1xt = \frac{1}{x},则原式左边变为:

(1+a1t)(1+a2t)⋯(1+ant)(1 + a_1 t)(1 + a_2 t) \cdots (1 + a_n t)

展开成 tt 的多项式:

(1+a1t)(1+a2t)⋯(1+ant)=1+c1t+c2t2+⋯+cntn(1 + a_1 t)(1 + a_2 t) \cdots (1 + a_n t) = 1 + c_1 t + c_2 t^2 + \cdots + c_n t^n

其中:

  • c1=a1+a2+⋯+an=∑k=1nakc_1 = a_1 + a_2 + \cdots + a_n = \sum_{k=1}^n a_k
  • c2=∑1≤i<j≤naiajc_2 = \sum_{1 \le i < j \le n} a_i a_j
  • ck=∑1≤i1<i2<⋯<ik≤nai1ai2⋯aikc_k = \sum_{1 \le i_1 < i_2 < \dots < i_k \le n} a_{i_1} a_{i_2} \cdots a_{i_k}

代回 t=1/xt = 1/x,即得:

∏k=1n(1+akx)=1+1x∑k=1nak+1x2∑1≤i<j≤naiaj+⋯+a1a2⋯anxn\prod_{k=1}^n \left(1+\frac{a_k}{x}\right) = 1 + \frac{1}{x}\sum_{k=1}^n a_k + \frac{1}{x^2} \sum_{1 \le i < j \le n} a_i a_j + \cdots + \frac{a_1 a_2 \cdots a_n}{x^n}
T2-极限四则运算

求极限:

I=lim⁡x→0ln⁡(cos⁡x+xsin⁡2x)ex2−1−x23I = \lim_{x\to0} \frac{\ln(\cos x + x \sin 2x)}{\mathrm{e}^{x^2} - \sqrt[3]{1 - x^2}}
题解I=lim⁡x→0ln⁡[1+(cos⁡x−1)+xsin⁡2x]ex2−1−x23=lim⁡x→0(cos⁡x−1)+xsin⁡2xex2−1−x23=lim⁡x→0cos⁡x−1x2+2⋅sin⁡2x2xex2−1x2+1−x23−1−x2=−12+21+13=98.\begin{aligned} I &= \lim_{x \to 0} \frac{\ln[1 + (\cos x - 1) + x \sin 2x]}{\mathrm{e}^{x^2} - \sqrt[3]{1 - x^2}} \\ &= \lim_{x \to 0} \frac{(\cos x - 1) + x \sin 2x}{\mathrm{e}^{x^2} - \sqrt[3]{1 - x^2}} \\ &= \lim_{x \to 0} \frac{\dfrac{\cos x - 1}{x^2} + 2 \cdot \dfrac{\sin 2x}{2x}}{\dfrac{\mathrm{e}^{x^2} - 1}{x^2} + \dfrac{\sqrt[3]{1 - x^2} - 1}{-x^2}} \\ &= \frac{-\dfrac{1}{2} + 2}{1 + \dfrac{1}{3}} = \frac{9}{8}. \end{aligned}
极限替换(DeepSeekV4Pro)

等价定义:若 A(x)∼B(x)A(x) \sim B(x),则 lim⁡AB=1\lim \frac{A}{B} = 1。

规则一:独立因式替换(乘除关系)

在一个仅由乘除构成的表达式 A⋅BA \cdot B 或 A/BA/B 中,任何一个独立的因式都可以被其等价无穷小替换。

规则二:函数复合的整体替换(外层函数替换)

对于复合函数 f(g(x))f(g(x)),若 g(x)→0g(x) \to 0,且在 u→0u \to 0 时有 f(u)∼uf(u) \sim u,则整个函数块 f(g(x))f(g(x)) 可等价替换为 g(x)g(x)。

规则三:代数和中的替换(加减关系)

在代数和 A±BA \pm B 中,严禁随意局部替换。是否可替换,完全取决于替换后主项是否抵消。

  • 可换条件:替换后,代数和中所有项的最低阶部分之和不等于零。
  • 禁止条件:若最低阶部分相互抵消,决定极限的是高阶项。

判断步骤:

  1. 它是否作为一个整体,处于乘除关系中? → 是 → 可直接替换
  2. 它是否是某个外层函数的内部整体,且外层函数本身可等价替换? → 是 → 可对外层做整体替换
  3. 它处于加减号连接的结构中 → 检查替换后主项是否抵消 → 若不抵消可谨慎替换,若抵消则禁止替换
利用洛必达法则
T1

f(x)f(x) 在区间 (0,+∞)(0,+\infty) 上三阶可导,满足 f(x)>0,f′(x)>0,f′′(x)>0f(x)>0, f'(x)>0, f''(x)>0,且 lim⁡x→+∞f′(x)f′′′(x)[f′′(x)]2=a≠1\lim_{x \to +\infty} \frac{f'(x) f'''(x)}{[f''(x)]^2} = a \neq 1。求极限:lim⁡x→+∞f(x)f′′′(x)[f′′(x)]2\lim_{x \to +\infty} \frac{f(x) f'''(x)}{[f''(x)]^2}。

题解lim⁡x→+∞f′(x)f′′′(x)[f′′(x)]2=1−lim⁡x→+∞ddx(f′(x)f′′(x))\begin{aligned} \lim_{x \to +\infty} \frac{f'(x) f'''(x)}{[f''(x)]^2} &= 1 - \lim_{x \to +\infty} \frac{d}{dx} \left( \frac{f'(x)}{f''(x)} \right) \end{aligned}

故:

lim⁡x→+∞ddx(f′(x)f′′(x))=1−a\lim_{x\to+\infty} \frac{d}{dx} \left( \frac{f'(x)}{f''(x)} \right) = 1 - a

由洛必达法则得:

lim⁡x→+∞f′(x)xf′′(x)=1−a\lim_{x \to +\infty} \frac{f'(x)}{x f''(x)} = 1 - a

由极限保号性可知 a<1a < 1。

由泰勒公式可得 lim⁡x→+∞f(x)=+∞\lim_{x \to +\infty} f(x) = +\infty。

由洛必达法则得:

lim⁡x→+∞xf′(x)f(x)=1+lim⁡x→+∞xf′′(x)f′(x)=1+11−a=2−a1−a\begin{aligned} \lim_{x \to +\infty} \frac{x f'(x)}{f(x)} &= 1 + \lim_{x \to +\infty} \frac{x f''(x)}{f'(x)} = 1 + \frac{1}{1 - a} = \frac{2 - a}{1 - a} \end{aligned}lim⁡x→+∞f(x)f′′(x)[f′(x)]2=1(1−a)⋅2−a1−a=12−a\begin{aligned} \lim_{x \to +\infty} \frac{f(x) f''(x)}{[f'(x)]^2} &= \frac{1}{(1-a) \cdot \frac{2-a}{1-a}} = \frac{1}{2-a} \end{aligned}
T2

求极限:

I=lim⁡x→∞x2[e(1+1x)x−(1+1x)ex]I = \lim_{x\to\infty} x^2 \left[ \mathrm{e}^{(1+\frac{1}{x})^x} - \left(1+\frac{1}{x}\right)^{\mathrm{e}x} \right]
题解

令 t=1/xt = 1/x,得:

I=lim⁡t→0e(1+t)1/t−(1+t)e/tt2=lim⁡t→0e(1+t)1/t−eeln⁡(1+t)tt2I = \lim_{t\to0} \frac{\mathrm{e}^{(1+t)^{1/t}} - (1+t)^{\mathrm{e}/t}}{t^2} = \lim_{t\to0} \frac{\mathrm{e}^{(1+t)^{1/t}} - \mathrm{e}^{\frac{\mathrm{e}\ln(1+t)}{t}}}{t^2}

由拉格朗日中值定理得:

I=eelim⁡t→0f(t)−g(t)t2=ee+1lim⁡t→0eln⁡(1+t)t−1−ln⁡(1+t)tt2I = \mathrm{e}^{\mathrm{e}} \lim_{t \to 0} \frac{f(t) - g(t)}{t^2} = \mathrm{e}^{\mathrm{e}+1} \lim_{t \to 0} \frac{\mathrm{e}^{\frac{\ln(1+t)}{t}-1} - \frac{\ln(1+t)}{t}}{t^2}

记 α(t)=ln⁡(1+t)t−1\alpha(t) = \frac{\ln(1+t)}{t} - 1,由泰勒公式得:

eα(t)=1+α(t)+α(t)22+o(α(t)2)=ln⁡(1+t)t+12(t−ln⁡(1+t)t)2+o(α(t)2)\mathrm{e}^{\alpha(t)} = 1 + \alpha(t) + \frac{\alpha(t)^2}{2} + o(\alpha(t)^2) = \frac{\ln(1+t)}{t} + \frac{1}{2} \left( \frac{t - \ln(1+t)}{t} \right)^2 + o(\alpha(t)^2)

故:

I=ee+1lim⁡t→0[12+o(α(t)2)α(t)2](t−ln⁡(1+t)t2)2=18ee+1I = \mathrm{e}^{\mathrm{e}+1} \lim_{t \to 0} \left[ \frac{1}{2} + \frac{o(\alpha(t)^2)}{\alpha(t)^2} \right] \left( \frac{t - \ln(1+t)}{t^2} \right)^2 = \frac{1}{8} \mathrm{e}^{\mathrm{e}+1}
T3

求极限:

I=lim⁡φ→01−cos⁡φcos⁡2φ⋯cos⁡nφnφ2(n为正整数)I = \lim_{\varphi\to0} \frac{1 - \cos\varphi \sqrt{\cos2\varphi} \cdots \sqrt[n]{\cos n\varphi}}{\varphi^2} \quad (n \text{为正整数})
题解

令 f(φ)=cos⁡φcos⁡2φ⋯cos⁡nφnf(\varphi) = \cos\varphi \sqrt{\cos2\varphi} \cdots \sqrt[n]{\cos n\varphi},则 f(0)=1f(0) = 1,且:

f′(φ)=[eln⁡f(φ)]′=eln⁡f(φ)[ln⁡f(φ)]′=f(φ)(∑k=1nln⁡cos⁡kφk)′=−f(φ)∑k=1ntan⁡kφ\begin{aligned} f'(\varphi) &= \left[\mathrm{e}^{\ln f(\varphi)}\right]' = \mathrm{e}^{\ln f(\varphi)} [\ln f(\varphi)]' \\ &= f(\varphi) \left( \sum_{k=1}^{n} \frac{\ln \cos k\varphi}{k} \right)' = -f(\varphi) \sum_{k=1}^{n} \tan k\varphi \end{aligned}

由洛必达法则得:

I=lim⁡φ→01−f(φ)φ2=lim⁡φ→0−f′(φ)2φ=lim⁡φ→0f(φ)2∑k=1ntan⁡kφφ=f(0)2∑k=1n(lim⁡φ→0tan⁡kφφ)=12∑k=1nk=14n(n+1)\begin{aligned} I &= \lim_{\varphi \to 0} \frac{1 - f(\varphi)}{\varphi^2} = \lim_{\varphi \to 0} \frac{-f'(\varphi)}{2\varphi} = \lim_{\varphi \to 0} \frac{f(\varphi)}{2} \sum_{k=1}^{n} \frac{\tan k\varphi}{\varphi} \\ &= \frac{f(0)}{2} \sum_{k=1}^{n} \left( \lim_{\varphi \to 0} \frac{\tan k\varphi}{\varphi} \right) = \frac{1}{2} \sum_{k=1}^{n} k = \frac{1}{4} n(n+1) \end{aligned}
利用泰勒公式
T1-∞-∞型

求极限:

I=lim⁡x→∞[(x−12)2−x4ln⁡2(1+1x)]I = \lim_{x\to\infty} \left[ \left(x - \frac{1}{2}\right)^2 - x^4 \ln^2 \left(1 + \frac{1}{x}\right) \right]
题解

转化为 0/0 型:

I=lim⁡x→∞x2[1−12x+xln⁡(1+1x)][1−12x−xln⁡(1+1x)]I = \lim_{x\to\infty} x^2 \left[ 1 - \frac{1}{2x} + x \ln\left(1 + \frac{1}{x}\right) \right] \left[ 1 - \frac{1}{2x} - x \ln\left(1 + \frac{1}{x}\right) \right]

令 t=1/xt = 1/x,则:

I=lim⁡t→0[1−t2+ln⁡(1+t)t]⋅lim⁡t→0t−t22−ln⁡(1+t)t3=2×(−13)=−23I = \lim_{t\to0} \left[ 1 - \frac{t}{2} + \frac{\ln(1+t)}{t} \right] \cdot \lim_{t\to0} \frac{t - \frac{t^2}{2} - \ln(1+t)}{t^3} = 2 \times \left(-\frac{1}{3}\right) = -\frac{2}{3}
T2

f(x)f(x) 在 x=0x=0 的某邻域内存在 nn 阶导数,f(0)=f′(0)=⋯=f(n−1)(0)=0f(0) = f'(0) = \cdots = f^{(n-1)}(0) = 0,而 f(n)(0)≠0f^{(n)}(0) \neq 0。求极限:

I=lim⁡x→0∫0x(x−t)f(t) dtx∫0xf(x−t) dtI = \lim_{x \to 0} \frac{\int_0^x (x - t) f(t) \, dt}{x \int_0^x f(x - t) \, dt}
题解

令 u=x−tu = x - t,得:

I=lim⁡x→0x∫0xf(t) dt−∫0xtf(t) dtx∫0xf(u) du=1−lim⁡x→0∫0xtf(t) dtx∫0xf(u) du=1−lim⁡x→0xf(x)xf(x)+∫0xf(u) du=1−11+lim⁡x→0∫0xf(u) duxf(x)\begin{aligned} I &= \lim_{x \to 0} \frac{x \int_0^x f(t) \, dt - \int_0^x t f(t) \, dt}{x \int_0^x f(u) \, du} \\ &= 1 - \lim_{x \to 0} \frac{\int_0^x t f(t) \, dt}{x \int_0^x f(u) \, du} \\ &= 1 - \lim_{x \to 0} \frac{x f(x)}{x f(x) + \int_0^x f(u) \, du} \\ &= 1 - \frac{1}{1 + \lim_{x \to 0} \frac{\int_0^x f(u) \, du}{x f(x)}} \end{aligned}

由 f′(x)=f(n)(0)(n−1)!xn−1+o(xn−1)f'(x) = \frac{f^{(n)}(0)}{(n-1)!} x^{n-1} + o(x^{n-1}),得:

lim⁡x→0∫0xf(u) duxf(x)=lim⁡x→0f(x)f(x)+xf′(x)=lim⁡x→0f(n)(0)n!xn+o(xn)f(n)(0)n!xn+f(n)(0)(n−1)!xn+o(xn)=1n+1\lim_{x \to 0} \frac{\int_0^x f(u) \, du}{x f(x)} = \lim_{x \to 0} \frac{f(x)}{f(x) + x f'(x)} = \lim_{x \to 0} \frac{\frac{f^{(n)}(0)}{n!} x^n + o(x^n)}{\frac{f^{(n)}(0)}{n!} x^n + \frac{f^{(n)}(0)}{(n-1)!} x^n + o(x^n)} = \frac{1}{n+1}

故:

I=1−11+1n+1=1n+2I = 1 - \frac{1}{1 + \frac{1}{n+1}} = \frac{1}{n+2}
利用导数定义
T1

求极限:

I=lim⁡x→3x3+9⋅2x2−173−64−x3−23⋅3x2−193I = \lim_{x\to3} \frac{\sqrt{x^3+9} \cdot \sqrt[3]{2x^2-17} - 6}{4 - \sqrt{x^3-23} \cdot \sqrt[3]{3x^2-19}}
题解

记:

f(x)=x3+92x2−173,g(x)=x3−233x2−193f(x) = \sqrt{x^3+9} \sqrt[3]{2x^2-17}, \quad g(x) = \sqrt{x^3-23} \sqrt[3]{3x^2-19}

则 f(3)=6f(3) = 6,g(3)=4g(3) = 4。

故:

I=−lim⁡x→3f(x)−f(3)x−3g(x)−g(3)x−3=−f′(3)g′(3)I = -\lim_{x \to 3} \frac{\frac{f(x) - f(3)}{x - 3}}{\frac{g(x) - g(3)}{x - 3}} = -\frac{f'(3)}{g'(3)}

对 f(x)f(x) 取对数并求导数:

ln⁡f(x)=12ln⁡(x3+9)+13ln⁡(2x2−17)\ln f(x) = \frac{1}{2} \ln(x^3+9) + \frac{1}{3} \ln(2x^2-17)f′(x)f(x)=12⋅3x2x3+9+13⋅4x2x2−17\frac{f'(x)}{f(x)} = \frac{1}{2} \cdot \frac{3x^2}{x^3+9} + \frac{1}{3} \cdot \frac{4x}{2x^2-17}

所以 f′(3)=1054f'(3) = \frac{105}{4},同理可得 g′(3)=332g'(3) = \frac{33}{2}。

代入得:

I=−105/433/2=−3522I = -\frac{105/4}{33/2} = -\frac{35}{22}

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[数学] 函数极限
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作者
JulY
发布于
2026-05-20
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