Примеры решений задач с помощью второго замечательного предела
Применяемые формулы, свойства и теоремы
Здесь мы рассмотрим примеры решений задач на вычисление пределов, в которых используется второй замечательный предел и его следствия.
Ниже перечислены формулы, свойства и теоремы, которые наиболее часто применяются в подобного рода вычислениях.
- Второй замечательный предел и его следствия:
limx → ∞( 1 + 1x ) x = e, limx → 0(1 + x) 1x = e, limx → 0 e x – 1x = 1, limx → 0 ln(1 + x)x = 1,
limx → 0 sh xx = 1, limx → 0 th xx = 1, limx → 0 arsh xx = 1, limx → 0 arth xx = 1.
Стоит отметить еще одну формулу (см. пример ниже ⇓):
limx → 0 (1 + x) α – 1x = α, где α – действительное число. - Свойства и формулы показательной функции, формулы логарифмов, свойства экспоненты и натурального логарифма.
- Арифметические свойства предела функции.
- Теоремы о пределе и непрерывности сложной функции.
Здесь мы будем иметь дело со степенно-показательной функцией, у которой основание и показатель являются функциями от некоторой переменной: f (x) = (u(x)) v(x). Ее удобно представить как экспоненту: u v = ( e ln u ) v = e v ⋅ ln u. В этой связи полезна следующая лемма.
Лемма о пределе степенно-показательной функции
Пусть u = u(x), v = v(x) – функции переменной x, имеющие конечные пределы:
limx → x0 u(x) = u0 > 0, limx → x0 v(x) = v0. Здесь x0 ∈ R.
Тогда
limx → x0(u(x)) v(x) = ( limx → x0 u(x) ) limx → x0 v(x) = u v00.
Доказательство ⇓
В случае бесконечных пределов, или когда u0 = 0, мы проводим исследование произведения v ⋅ ln u, применяя свойства пределов бесконечно больших и малых функций.
В случае u0 = 1 и v0 = ∞, мы имеем неопределенность вида единица в степени бесконечность. Для ее раскрытия используется второй замечательный предел.
Раскрытие неопределенности 1 в степени бесконечность
Пусть u и v есть функции от переменной x: u = u(x), v = v(x). И пусть u → 1, v → ∞ при x → x0. Тогда выражение u v является неопределенным при x → x0. Для раскрытия этой неопределенности, мы вводим переменную t из соотношения
u(x) = 1 + 1t.
Тогда 1t = u – 1. При x → x0, u → 1, t → ∞.
u v = ( 1 + 1t ) tvt = ( ( 1 + 1t ) t ) vt = ( ( 1 + 1t ) t ) (u – 1)v;
limx → x0 u v = ( limt → ∞( 1 + 1t ) t ) limx → x0[(u – 1)v] = e limx → x0[(u – 1)v].
Таким образом задача сводится к вычислению предела limx → x0[(u(x) – 1)v(x)].
Доказательство леммы о пределе степенно-показательной функции
Представим степенно-показательную функцию u v в виде показательной функции:
u v = ( e ln u ) v = e v ln u.
Поскольку логарифмическая функция непрерывна на своей области определения, то по теореме о пределе непрерывной функции от функции,
limx → x0(ln u(x)) = ln( limx → x0 u(x) ) = ln u0.
По теореме о пределе произведения двух функций,
limx → x0( v(x) ⋅ ln u(x) ) = limx → x0 v(x) ⋅ limx → x0 ln u(x) = v0 ⋅ ln u0.
Поскольку показательная функция непрерывна на всей числовой оси, то по теореме о пределе непрерывной функции от функции,
limx → x0 e v(x) ⋅ ln u(x) = e limx → x0(v(x) ⋅ ln u(x)) = e v0 ⋅ ln u0 = u v00.
Лемма доказана.
Примеры решений
Все примеры Далее мы приводим подробные решения с объяснениями следующих пределов:
limx → ∞( x + 1x – 1 ) x ⇓, limx → 0( cos xcos 2x ) 1x 2 ⇓, limm → ∞( cos x√ m   ) m ⇓, limx → 0 (1 + x) α – 1x ⇓, limx → 0 e sin 4x – e sin xln(1 + 4x) ⇓.
Пример 1
Все примеры ⇑ Найти предел:
L = limx → ∞( x + 1x – 1 ) x.
Решение
При x → ∞, x + 1x – 1 = 1 + 1x1 – 1x → 1. Это неопределенность вида один в степени бесконечность.
Выполняем преобразования.
x + 1x – 1 = x – 1 + 2x – 1 = 1 + 2x – 1 = 1 + 1x – 12;
( x + 1x – 1 ) x = ( 1 + 1x – 12 ) 2(x – 1)2(x – 1) x = [ ( 1 + 1x – 12 ) x – 12 ] 2xx – 1.
Сделаем замену переменной t = (x – 1) / 2. При x → ∞, t → ∞. Применим второй замечательный предел:
limx → ∞( 1 + 1x – 12 ) x – 12 = limt → ∞( 1 + 1t ) t = e.
Находим предел дроби, разделив числитель и знаменатель на x:
limx → ∞ 2xx – 1 = limx → ∞ 21 – 1x = 21 – 0 = 2.
Применяем лемму о пределе степенно-показательной функции ⇑
L = [ limx → ∞( 1 + 1x – 12 ) x – 12 ] limx → ∞ 2xx – 1 = e 2.
Ответ
L = e 2.
Пример 2
Все примеры ⇑ Найдите предел:
L = limx → 0( cos xcos 2x ) 1x 2.
Решение
При x = 0, cos xcos 2x = cos 0cos 0 = 11 = 1. 1x 2 → ∞ при x → 0. Это неопределенность вида один в степени бесконечность. Раскрываем ее с помощью второго замечательного предела.
Введем переменную t из соотношения: cos xcos 2x = 1 + 1t. Тогда при x → 0, t → ∞,
1t = cos xcos 2x – 1 = cos x – cos 2xcos 2x.
( cos xcos 2x ) 1x 2 = ( 1 + 1t ) ttx 2 = [ ( 1 + 1t ) t ] 1tx 2 = [ ( 1 + 1t ) t ] cos x – cos 2xx 2cos 2x.
Применим второй замечательный предел к основанию степени:
limt → ∞( 1 + 1t ) t = e.
Найдем предел показателя степени. Для этого применим тригонометрическую формулу
cos a – cos b = 2 sin a + b2 sin b – a2
и первый замечательный предел:
limx → 0 cos x – cos 2xx 2cos 2x = limx → 0 2 sin 3x2 ⋅ sin x2x 2cos 2x = 32 limx → 0 sin 3x2 ⋅ sin x23x2 ⋅ x2 ⋅ cos 2x =
32 ⋅ limx → 0 sin 3x23x2 ⋅ limx → 0 sin x2x2 ⋅ limx → 0 1cos 2x = 32 ⋅ 1 ⋅ 1 ⋅ 1cos(2 ⋅ 0) = 32.
Применяем лемму о пределе степенно-показательной функции ⇑ учитывая, что при x → 0, t → ∞:
L = [ limt → ∞( 1 + 1t ) t ] limx → 0 cos x – cos 2xx 2cos 2x = e 3 / 2.
Ответ
L = e 3 / 2.
Пример 3
Все примеры ⇑ Найти предел последовательности:
L = limm → ∞( cos x√ m   ) m.
Решение
При x = 0, cos x√ m  = 0. Элементы последовательности равны единице. Поэтому L = 1. Рассмотрим случай x ≠ 0.
При m → ∞, x√ m  → 0, cos x√ m  → 1. Это неопределенность вида единица в степени бесконечность. Для ее раскрытия применим второй замечательный предел.
Введем переменную t из соотношения: cos x√ m  = 1 + 1t. Тогда при m → ∞, t → ∞,
1t = cos x√ m  – 1.
( cos x√ m   ) m = ( 1 + 1t ) tmt = [ ( 1 + 1t ) t ] mt = [ ( 1 + 1t ) t ] m( cos x√ m  – 1 ).
Применим второй замечательный предел к основанию степени:
limt → ∞( 1 + 1t ) t = e.
Найдем предел показателя степени. Для этого применим тригонометрическую формулу
1 – cos 2a = 2 sin 2 a
и первый замечательный предел:
limm → ∞[ m( cos x√ m  – 1 ) ] = –2 limm → ∞[ m sin 2 x2 √ m  ] = – x 22 limm → ∞[ sin x2 √ m x2 √ m  ] 2 =
– x 22[ limm → ∞ sin x2 √ m x2 √ m   ] 2 = – x 22.
Применяем лемму о пределе степенно-показательной функции ⇑ учитывая, что при m → ∞, t → ∞:
L = [ limt → ∞( 1 + 1t ) t ] limm → ∞ m( cos x√ m  – 1 ) = e –x 2 / 2.
Эта формула справедлива и при x = 0.
Ответ
L = e –x 2 / 2.
Пример 4
Все примеры ⇑ Найти предел:
L = limx → 0 (1 + x) α – 1x.
Решение
Пусть α = 0. Рассмотрим функцию f (x) = (1 + x) α – 1x в проколотой окрестности точки x = 0, на которой x ≠ 0. Для определения предела, функция должна быть определена на любой проколотой окрестности этой точки. Считаем, что 0 < | x | < 1 / 2. Тогда 1 + x > 0. При α = 0, (1 + x) α = (1 + x) 0 = 1, f (x) = 0. Поэтому L = 0.
Теперь рассмотрим предел при α ≠ 0.
При x = 0, ((1 + x) α – 1)|x = 0 = ((1 + 0) α – 1) = 1 – 1 = 0. У нас неопределенность вида 0/0.
Для ее раскрытия приведем степенно-показательную функцию к основанию e учитывая, что 1 + x > 0:
(1 + x) α – 1x = ( e ln(1 + x) ) α – 1x = e α ln(1 + x) – 1x = α ln(1 + x)x ⋅ e α ln(1 + x) – 1α ln(1 + x).
Согласно следствию второго замечательного предела:
limx → 0 ln(1 + x)x = 1.
В последнем множителе сделаем замену переменной:
t = t(x) = α ln(1 + x).
При x → 0, t → 0. Кроме этого, t(x) ≠ 0 при x ≠ 0. Тогда
limx → 0 e α ln(1 + x) – 1α ln(1 + x) = limt → 0 e t – 1t = 1.
Применяем арифметические свойства предела функции:
L = α limx → 0[ ln(1 + x)x ] ⋅ limx → 0[ e α ln(1 + x) – 1α ln(1 + x) ] = α ⋅ 1 ⋅ 1 = α.
Это же значение является правильным и при α = 0.
Ответ
L = α.
Пример 5
Все примеры ⇑ Найдите предел функции:
L = limx → 0 e sin 4x – e sin xln(1 + 4x).
Решение с помощью второго замечательного предела и его следствий
При x → 0, sin x → 0, sin 4x → 0, e sin x → 1, e sin 4x → 1, ln(1 + 4x) → 0. Это неопределенность вида 0/0. Для ее раскрытия, применим следствия второго замечательного предела.
Преобразуем числитель дроби:
e sin 4x – e sin x = e sin 4x – 1 – (e sin x – 1) = sin 4x e sin 4x – 1sin 4x – sin x e sin x – 1sin x =
4x sin 4x4x ⋅ e sin 4x – 1sin 4x – x sin xx ⋅ e sin x – 1sin x.
Преобразуем знаменатель:
ln(1 + 4x) = 4x ln(1 + 4x)4x.
Разделим числитель и знаменатель на x:
e sin 4x – e sin xln(1 + 4x) = 14z(x) { 4 sin 4x4x ⋅ e sin 4x – 1sin 4x–    sin xx ⋅ e sin x – 1sin x }.
Чтобы не загромождать формулы, мы ввели обозначение z(x) = ln(1 + 4x)4x.
Применяя первый замечательный предел и следствия второго, имеем:
limx → 0 sin xx = 1; limx → 0 sin 4x4x = 1; limx → 0 e sin x – 1sin x = 1; limx → 0 e sin 4x – 1sin 4x = 1; limx → 0 z(x) = limx → 0 ln(1 + 4x)4x = 1.
Применяем арифметические свойства предела функции:
L = limx → 0 e sin 4x – e sin xln(1 + 4x) = 14 ⋅ 1 { 4 ⋅ 1 ⋅ 1 – 1 ⋅ 1 } = 34.
Решение с помощью эквивалентных функций
Мы можем упростить решение, если применим теорему о замене функций эквивалентными в пределе частного. Считаем, что предел существует. Тогда мы можем заменить знаменатель эквивалентной функцией при x → 0. Из таблицы эквивалентных функций находим:
ln(1 + 4x) ~ 4x.
Получаем более простой предел:
L = 14 limx → 0 e sin 4x – e sin xx.
Далее делаем преобразования аналогично предыдущему:
e sin 4x – e sin xx = e sin 4x – 1 – ( e sin x – 1 )x = sin 4xx ⋅ e sin 4x – 1sin 4x – sin xx ⋅ e sin x – 1sin x.
Поскольку при x → 0, sin x → 0, sin 4x → 0, то применяем следствие второго замечательного предела:
limx → 0 e sin 4x – 1sin 4x = 1;
limx → 0 e sin x – 1sin x = 1.
В дробях sin 4xx и sin xx заменим функции в числителе эквивалентными:
limx → 0 sin 4xx = limx → 0 4xx = 4;
limx → 0 sin xx = limx → 0 xx = 1.
Применяем арифметические свойства предела функции:
4L = limx → 0 sin 4xx ⋅ limx → 0 e sin 4x – 1sin 4x – limx → 0 sin xx ⋅ limx → 0 e sin x – 1sin x = 4 ⋅ 1 – 1 ⋅ 1 = 3.
Ответ
L = 3 / 4.
Автор: Олег Одинцов. Опубликовано: Изменено: