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1.4 计算

1.4.1 方法

1. 极限四则运算规则

limf(x)=A,limg(x)=B ,那么

lim[kf(x)±lg(x)]=klimf(x)±llimg(x)=kA±lB ,其中 k,l 为常数;

lim[f(x)g(x)]=limf(x)limg(x)=AB . 特别地,若 limf(x) 存在, n 为正整数,则

lim[f(x)]n=[limf(x)]n;

limf(x)g(x)=limf(x)limg(x)=AB(B0) .

【注】(1) 若 limf(x) 存在, limg(x) 不存在,则 lim[f(x)±g(x)] 必不存在. ( =limf(x)±limg(x) 。 加法中,有任何一部分极限存在,则可直接拆分. )

(2) 若 limf(x) 不存在, limg(x) 也不存在,则 lim[f(x)±g(x)] 不一定不存在.

(3) 若 limf(x)=A0 ,则 limf(x)g(x)=Alimg(x) ,即乘除法中非零因子可往外先提出去.

【例 1.20 】证明: (1) 若 limf(x)g(x)=A ,且 limg(x)=0 ,则 limf(x)=0 ;

(2) 若 limf(x)g(x)=A0 ,且 limf(x)=0 ,则 limg(x)=0 .

证明 (1) 由于 f(x)=f(x)g(x)g(x) ,则

limf(x)=limf(x)g(x)g(x)=limf(x)g(x)limg(x)=A0=0.

(2) 由于 g(x)=f(x)f(x)g(x) ,则 limg(x)=limf(x)f(x)g(x)=limf(x)limf(x)g(x)=0A=0 .

【注】以上结论非常重要, 以后在有关定参数的题目中可直接使用, 如下例.

【例 1.21】 设 limx0sinxexa(cosxb)=5 ,则 b=() .

(A) -4 (B) -3 (C) -2 (D) -1

解 应选 (A).

limx0sinxexa(cosxb)=50 ,由例 1.20 的 (2) 知, limx0(exa)=0 ,故 a=1 ,此时原极限变为 limx0sinxex1(cosxb)=limx0(cosxb)=1b ,故 b=4 .

2. 洛必达法则

法则一 设① 当 xa (或 x ) 时,函数 f(x)F(x) 都趋于零;

f(x)F(x) 在点 a 的某去心邻域内 (或当 |x|>X ,此时 X 为充分大的正数) 存在, 且 F(x)0 ;

limxaf(x)F(x) (或 limxf(x)F(x) ) 存在或为无穷大,则

limxaf(x)F(x)=limxaf(x)F(x) (或 limxf(x)F(x)=limxf(x)F(x) ). 

法则二 设①当 xa (或 x ) 时,函数 f(x)F(x) 都趋于无穷大;

f(x)F(x) 在点 a 的某去心邻域内 (或当 |x|>X ,此时 X 为充分大的正数) 存在,且 F(x)0 ;

limxaf(x)F(x) (或 limxf(x)F(x) ) 存在或为无穷大,则

limxaf(x)F(x)=limxaf(x)F(x) (或 limxf(x)F(x)=limxf(x)F(x) ). 

【注】(1) 一般来说,洛必达法则是用来计算 “ 00 ” 型或者 “ ” 型未定式的,不是 “ 00 ” 型和 “ ” 型, 就不能用洛必达法则.

(2) 如果极限 limxaf(x)F(x) 仍属于 “ 00 ” 型或者 “ ” 型,且 f(x),F(x) 继续满足洛必达法则的条件,则可以继续使用洛必达法则,即 limxaf(x)F(x)=limxaf(x)F(x)=limxaf(x)F(x) .

(3) 如果 limxaf(x)F(x) 不存在也不为 ,不能推出 limxaf(x)F(x) 不存在也不为 ,简单一点说就是:

对于 limxaf(x)F(x)=limxaf(x)F(x) ,“ 右存在,则左存在; 但左存在,并不意味着右一定存在 ”. 比如说,极限

limx0x2sin1xx=limx0xsin1x=0

存在, 而如果使用洛必达法则, 会有

limx0x2sin1xx=limx0(2xsin1xcos1x),

这个极限显然不存在. 这是一个很细致、很隐蔽的问题, 稍不注意就可能出错.

【例 1.22】 证明:

(1) 当 x0 时, ln(x+1+x2)x ;

(2) 当 x0 时, 1(cosx)a12ax2,a0 .

证明 (1) 由于 limx0ln(x+1+x2)x=limx011+x21=1 ,于是当 x0 时, ln(x+1+x2)x .

(2) 当 x0 时, limx01(cosx)a12ax2=limx0a(cosx)a1(sinx)ax=limx0(cosx)a1=1 . 证毕.

【例 1.23】 设 f(x)=ln10x,g(x)=x,h(x)=ex10 ,则当 x 充分大时,有 () .

(A) g(x)<h(x)<f(x)

(B) h(x)<g(x)<f(x)

(C) f(x)<g(x)<h(x)

(D) g(x)<f(x)<h(x)

解 应选 (C).

因为 limx+g(x)f(x)=+,limx+h(x)g(x)=+ ,所以当 x 充分大时,有 f(x)<g(x)<h(x) .

故选项 (C) 正确.

【注】① 当 x+ 时,有 lnαxxβax ,其中 α,β>0,a>1 ,符号 “ ” 叫远远小于;

② 当 n 时,有 lnαnnβann!nn ,其中 α,β>0,a>1 .

3. 泰勒公式

f(x) 在点 x=0n 阶可导,则存在 x=0 的一个邻域,对于该邻域内的任一点 x ,有

f(x)=f(0)+f(0)x+f(0)2!x2++f(n)(0)n!xn+o(xn).

sinx=sin0+(sinx)|x=0x+(sinx)|x=02!x2+(sinx)|x=03!x3+o(x3) ,即 sinx=x16x3+o(x3) .

再如 secx=sec0+(secx)|x=0x+(secx)|x=02!x2+(secx)|x=03!x3+o(x3) ,即 secx=1+x22+o(x3) .

同理可得如下重要函数的泰勒公式.

sinx=xx33!+o(x3),cosx=1x22!+x44!+o(x4),

arcsinx=x+x33!+o(x3),tanx=x+x33+o(x3), 背含泰勒公式,“一站直达”

arctanx=xx33+o(x3),ln(1+x)=xx22+x33+o(x3),

ex=1+x+x22!+x33!+o(x3),(1+x)α=1+αx+α(α1)2!x2+o(x2).

【注】从数学命题的角度对以上公式进行处理, 可得到一组 “差函数” 的等价无穷小代换式, 如 xsinx=16x3+o(x3) ,则 xsinx16x3(x0) ,同理有

arcsinxx16x3(x0),tanxx13x3(x0),xarctanxx33(x0)

等,并可将这些公式广义化,如第一个公式广义化为狗 sin16 (狗) (狗 0 ),其余类似.

4. 无穷小的运算

m,n 为正整数,则

o(xm)±o(xn)=o(xl),l=min{m,n} (加减法时低阶 “吸收” 高阶);

o(xm)o(xn)=o(xm+n),xmo(xn)=o(xm+n) (乘法时阶数 “累加”);

o(xm)=o(kxm)=ko(xm),k0 且为常数 (非零常数相乘不影响阶数).

【注】在后面泰勒公式的应用中, 会对上述高阶无穷小的运算提出要求, 请读者学会正确书写

5. 泰勒公式应用时的展开原则

(1) AB 型,适用 “上下同阶” 原则

具体说来,如果分母 (或分子) 是 xk 次幂,则应把分子 (或分母) 展开到 xk 次幂,可称为 “上下同阶” 原则.

例如,计算 limx0xln(1+x)x2 .

由于

ln(1+x)=x+o(x),ln(1+x)=xx22+o(x2),ln(1+x)=xx22+x33+o(x3),

因此

limx0xln(1+x)x2=limx0x[xx22+o(x2)]x2=limx0x22x2=12,

这里顺便得到了一个重要的等价代换式 xln(1+x)12x2(x0) .

同理

xsinxx36(x0),arcsinxxx36(x0),tanxxx33(x0),xarctanxx33(x0),

均可由 “上下同阶” 原则得到.

(2) AB 型,适用 “幂次最低” 原则

具体说来,即将 A,B 分别展开到它们的系数不相等的 x 的最低次幂为止.

例如,已知当 x0 时, cosxex22axb 为等价无穷小,求 a,b .

用泰勒公式, cosx=1x22!+x44!+o(x4),ex22=1x22+12!x44+o(x4) .

显然,将 cosx,ex22 展开到 x4 时,其系数就不一样了,使用 “幂次最低” 原则,展开到此项后,进

行运算, 得

cosxex22=[1x22!+x44!+o(x4)][1x22+12!x44+o(x4)]=112x4+o(x4),

于是可知 cosxex22112x4(x0) ,故 a=112,b=4 .

6. 两个重要极限

limx0sinxx=1,limx(1+1x)x=e.

【注】常考变量广义化

lim 狗 0sin 狗  狗 =1,lim 狗 (1+1 狗 ) 狗 =e.

如狗 =1x ,则上述式子为

lim1x0sin1x1x=1,即limxxsin1x=1,lim1x(1+11x)1x=e,即limx0(1+x)1x=e.

7. 夹逼准则

适当放缩 { 已知不等式  题设条件 

如果函数 f(x),g(x)h(x) 满足下列条件:

(1) h(x)f(x)g(x) ;

(2) limg(x)=A,limh(x)=A .

limf(x) 存在,且 limf(x)=A .

【注】常见的一个问题: 设任意的 x ,总有 h(x)f(x)g(x) ,且 lim[g(x)h(x)]=0 ,则 limf(x) 是否一定存在? 答案是否定的. lim[g(x)h(x)] 存在并不能说明 limg(x),limh(x) 都存在, 从而也不能保证 limf(x) 存在.

例如,当 x>0 时,取 h(x)=x+1x+1,f(x)=x+2x+1,g(x)=x+3x+1 ,则 h(x)<f(x)<g(x) ,且 limx+[g(x)h(x)]=0 ,但 limx+f(x) 不存在.

1.4.2 七种未定式的计算

“未定”是你来定,有可能存在有可能不存在.

考研的函数极限计算题一般归纳为七种未定式:

00” “” “0” “” “0” “00” “1”.

题型: 直接计算、反求参数、已知某一极限求另一极限、无穷小的比阶等.

解题思路如下:

①化简先行.

a. 提出极限不为 0 的因式; b. 等价无穷小代换; c. 恒等变形 (基本的恒等变形法如提公因式、拆项、 合并、分子分母同除变量的最高次幂等, 高级的恒等变形法如变量代换, 也叫换元法等). 需要强调的是, 很多问题如果不化简就计算, 可能计算会很复杂, 甚至可能计算不出结果.

②判断类型 (运算类型).

③选择方法 (洛必达法则、泰勒公式、夹逼准则等).

(1) “ 00 ” “ ” “ 0

【例 1.24】 limx0+(1+x)1xex=

解 应填 e2 .

原极限 =limx0+e1xln(1+x)ex=elimx0+e1xln(1+x)11x=elimx0+1xln(1+x)1x

=elimx0+ln(1+x)xx2=elimx0+12x2x2=12e.

【注】 f(x)=(1+x)1xx>0 时有以下性质:

f(x) 单调减少; ② limx0+f(x)=e ; ③ (1+x)1xee2x(x0+) .

1.4-1.jpg

【例 1.2】 求极限 I=limxanxn+an1xn1++a1x+a0bmxm+bm1xm1++b1x+b0 ,其中 an(0),bm(0) 为常数.

解 若 n=m ,则 I=limxan+an1x++a1xn1+a0xnbm+bm1x++b1xn1+b0xn=limx(an+an1x++a1xn1+a0xn)limx(bm+bm1x++b1xn1+b0xn)=anbm;

n>m ,则 I=limxxnm(anxm+an1xm1++a1xmn+1+a0xmn)bmxm+bm1xm1++b1x+b0=limxxnmanbm= ;

n<m ,则 I=limxanxn+an1xn1++a1x+a0xmn(bmxn+bm1xn1++b1xnm+1+b0xnm)=limx1xmnanbm=0 .

综上, limxanxn+an1xn1++a1x+a0bmxm+bm1xm1++b1x+b0={anbm,n=m,,n>m,0,n<m.

【注】本题的结果要记住,以后直接使用,这就是通常说的 “抓大头”,即当 x 时,分别抓分子、 分母中关于 x 的最高次项,忽略其他项,如 limx4x2+x1+|x+1||x2+sinx|=1 . 另外特别注意,若 x0 ,则应该分别抓分子、分母中关于 x 的最低次项.

【例 1.26】 设函数 f(x)=limnx2+nx(1x)sin2πx1+nsin2πx ,则 f(x)=

解 应填 {x2,x=0,±1,±2,,x(1x),x 取其他值. 

sinπx=0 ,即 x=k (整数) 时, f(x)=limnx2+nx(1x)01+n0=x2 ;

sinπx0 ,即 xk (整数) 时, f(x)=limnx2n+x(1x)sin2πx1n+sin2πx=x(1x)sin2πxsin2πx=x(1x) .

综上, f(x)={x2,x=0,±1,±2,,x(1x),x 取其他值. 

【例 1.27】 已知极限 limx0tan2x+xf(x)sinx3=0 ,则 limx02+f(x)x2=() .

(A) 139   (B) 4   (C) 103   (D) 83

解 应选 (D).

方法一 脱帽法.

limx0tan2x+xf(x)sinx3=0,

tan2x+xf(x)x3=α(x) ,其中 α(x)x0 时的无穷小. 因此

f(x)=x3α(x)tan2xx,

limx02+f(x)x2=limx02+x3α(x)tan2xxx2=limx02xtan2x+x3α(x)x3=limx02x[2x+13(2x)3+o(x3)]+x3α(x)x3=83.

方法二 泰勒展开. 由 limx0tan2x+xf(x)sinx3=0 ,得

limx02x+13(2x)3+o(x3)+xf(x)x3=0,

limx02+f(x)x2=83.

【例 1.28】 求极限 limx1lnxln(1x) .

解 这是 “ 0 ” 型未定式,注意一个事实: 当 x0 时, ln(1+x)x ,将其广义化,得

ln(1+u)u(u0),

于是在考研中常考的一个式子是 lnx=ln(1+x1)x1(x1) ,则

limx1lnxln(1x)=limx1ln(1+x1)ln(1x)=limx1(x1)ln(1x)= 令 1x=tlimt0+tlnt=0.

【注】事实上,当 α>0 时, limx0+xαlnx=limx0+lnxxα=limx0+x1αxα1=1αlimx0+xα=0 ,本题中 α=1 .

【例 1.29】 求 I=limx0x[10x] ,其中 [] 为取整符号.

解 当 x0 时, 10x ,对于 [] ,此时想到极限计算的利器一夹逼准则 (当常规求极限的方

法——比如等价无穷小代换、泰勒公式、洛必达法则——无法使用时, 一定要能够想得起这个“两边夹击” 的重要方法).

根据 x1<[x]x ,有

10x1<[10x]10x

于是

{x>0 时,有 10x<x[10x]10,x<0 时,有 10x>x[10x]10.

可见,无论 x>0 ,还是 x<0 ,不等式两边均可趋于同一极限,故 I=limx0x[10x]=10 .

(2) " "

【注】对于 “ ” 型未定式,一般有两种思路.

(1) 如果函数中有分母, 则通分, 将加减法变形为乘除法, 以便于使用其他计算工具 (比如洛必达法则), 见例 1.30 .

(2) 如果函数中没有分母, 则可以通过提取公因式或者作倒代换, 出现分母后, 再利用通分等恒等变形的方法, 将加减法变形为乘除法, 见例 1.31.

【例 1.30】 极限 limx0[1ln(1+x)1x]=() .

(A) 2   (B) 32   (C) 1   (D) 12

解 应选 (D).

所给极限为 “ ” 型,先变形,化为 “ 00 ” 型.

limx0[1ln(1+x)1x]=limx0xln(1+x)xln(1+x)=limx0xln(1+x)x2=limx0111+x2x=limx0x2x(1+x)=limx012(1+x)=12.

故选 (D).

【例 1.31】 求极限 limx+[x2(e1x1)x] .

原式= 令 u=1xlimu0+eu1uu2=limu0+eu12u=12.

(3) “ 0 ” 和 “ 00

【例 1.32】 求极限 limx+(x+1+x2)1x .

解 这是 “ ” 型未定式,是幂指函数的极限,对于 “ ” 和 “ 0 ” 型这两种未定式,一般来说, 我们都用恒等变形

limuv=elimvlnu=exp{limvlnu},

将其化成 “ 00 ” “ ” “ 0 ” 这三种类型,然后计算,故原式 =exp{limx+1xln(x+1+x2)} .

因为 limx+1xln(x+1+x2)=limx+1x+1+x2(1+x1+x2)=limx+11+x2=0 ,所以

limx+(x+1+x2)1x=e0=1.

(4) “ 1

【例 1.33】 求极限 limx0(ex+e2x+e3x3)ex .

解 这是 “ 1 ” 型未定式,是幂指函数的极限,如果 limuv 属于 “ 1 ” 型,则有一个重要且简单的计算方法: limuv=elim(u1)v .

推导如下: 利用第二重要极限公式 limx(1+1x)x=e ,得

limuv=lim{[1+(u1)]1u1}(u1)v=elim(u1)v,

故 原式 =exp{limx0ex(ex+e2x+e3x31)}=exp{limx0e3(ex1x+e2x1x+e3x1x)}

=exp{e3(limx0ex1x+limx0e2x1x+limx0e3x1x)}=ee3(1+2+3)=e2e.

(5) 泰勒公式

【例 1.34】 设当 x0 时, ex(ax2+bx+1) 是比 x2 高阶的无穷小,则 () .

(A) a=12,b=1
(B) a=1,b=1
(C) a=12,b=1
(D) a=1,b=1

解 应选 (A).

方法一 由泰勒公式可知 ex=1+x+x22!+o(x2) .

由题设可知

limx0ex(ax2+bx+1)x2=0,

limx0(12a)x2+(1b)x+o(x2)x2=0,

a=12,b=1 .

方法二 由洛必达法则可知

limx0ex(ax2+bx+1)x2=limx0ex2axb2x,

b1 ,上式右端趋于无穷,从而左端也趋于无穷,与原题设矛盾,所以 b=1 . 因此

limx0ex2axb2x=limx0ex12xa=12a=0,

a=12 ,所以应选 (A).

【例 1.35】 设函数 f(x)=sinx1+x2x=0 处的3次泰勒多项式为 ax+bx2+cx3 ,则 ( ).

(A) a=1,b=0,c=76

(A) a=1,b=0,c=76

(C) a=1,b=1,c=76

(D) a=1,b=1,c=76

解 应选 (A).

方法一 由于在 x=0 处有泰勒展开式

sinx=xx33!+,11+x2=1x2+x4,

因此

sinx1+x2=(xx33!+)(1x2+x4)=x76x3+.

又由题设知,在 x=0 处有

sinx1+x2=ax+bx2+cx3+,

所以

a=1,b=0,c=76.

故选 (A).

方法二 由题设可得在 x=0

sinx=(1+x2)(ax+bx2+cx3+),

所以

limx0sinxx=limx0(1+x2)(a+bx+cx2+)=a,

a=1 .

又因为 sinx 为奇函数,所以 b=0 ,从而可得

sinx=(1+x2)(x+cx3+),

c=limx0sinx(1+x2)xx3=limx0sinxxx31=limx0cosx13x21=76.

故选 (A).

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