Методы решения физико-математических задач

Примеры решений задач с помощью второго замечательного предела

Примеры задач, решаемых с помощью второго замечательного предела
Подробные решения примеров с использованием второго замечательного предела и его следствий. Формулы, свойства и теоремы, применяемые при решении задач, допускающих решение с помощью второго замечательного предела.
()(\newcommand{\sh}{\mathop{\mathrm{sh}}\nolimits})() ()(\newcommand{\ch}{\mathop{\mathrm{ch}}\nolimits})() ()(\newcommand{\th}{\mathop{\mathrm{th}}\nolimits})() ()(\newcommand{\arsh}{\mathop{\mathrm{arsh}}\nolimits})() ()(\newcommand{\arth}{\mathop{\mathrm{arth}}\nolimits})()

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.

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: uv = (e ln u)v = ev ⋅ 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) = uv00.
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 uv 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 → ∞.
uv = ( 1 + 1t)tvt =(( 1 + 1t)t)vt =(( 1 + 1t)t) (u – 1)v;
limx → x0 uv =(limt → ∞( 1 + 1t)t)limx → x0[(u – 1)v] =elimx → 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

Формулировка ⇑

Представим степенно-показательную функцию uv в виде показательной функции:
uv = (e ln u)v = ev 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 ev(x) ⋅ ln u(x) =elimx → x0(v(x) ⋅ ln u(x)) = ev0 ⋅ ln u0 = uv00.

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 xm  )m,   limx → 0(1 + x)α – 1x,   limx → 0e 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 → 0cos x – cos 2xx 2cos 2x =limx → 02 sin 3x2 ⋅ sin x2x 2cos 2x =32limx → 0sin 3x2 ⋅ sin x23x2 ⋅ x2 ⋅ cos 2x =
32 ⋅ limx → 0sin 3x23x2 ⋅ limx → 0sin x2x2 ⋅limx → 01cos 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 → 0cos x – cos 2xx 2cos 2x =e 3 / 2.

Ответ

L = e 3 / 2.

Пример 3

Все примеры ⇑ Найти предел последовательности:
L = limm → ∞( cos xm  )m.

Решение

При x = 0,  cos xm = 0. Элементы последовательности равны единице. Поэтому L = 1. Рассмотрим случай x ≠ 0.

При m → ∞,  xm → 0,  cos xm → 1. Это неопределенность вида единица в степени бесконечность. Для ее раскрытия применим второй замечательный предел.

Введем переменную t из соотношения: cos xm = 1 + 1t. Тогда при m → ∞,  t → ∞,
1t = cos xm – 1.
( cos xm  )m = ( 1 + 1t)tmt =[( 1 + 1t)t]mt =[( 1 + 1t)t]m( cos xm – 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 xm – 1 )] = –2 limm → ∞[m sin 2x2 m] = – x 22limm → ∞[sin x2 mx2 m] 2 =
 – x 22[limm → ∞sin x2 mx2 m  ] 2 = – x 22.

Применяем лемму о пределе степенно-показательной функции ⇑ учитывая, что при m → ∞,  t → ∞:
L =[limt → ∞( 1 + 1t)t]limm → ∞ m( cos xm – 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 =eα ln(1 + x) – 1x =αln(1 + x)x ⋅ eα ln(1 + x) – 1α ln(1 + x).
Согласно следствию второго замечательного предела:
limx → 0ln(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 → 0eα ln(1 + x) – 1α ln(1 + x) = limt → 0et – 1t = 1.

Применяем арифметические свойства предела функции:
L = αlimx → 0[ln(1 + x)x] ⋅limx → 0[eα 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 → 0e 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 4xe sin 4x – 1sin 4x – sin xe sin x – 1sin x =
 4xsin 4x4x ⋅ e sin 4x – 1sin 4x –xsin xx ⋅ e sin x – 1sin x.
Преобразуем знаменатель:
ln(1 + 4x) = 4xln(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 → 0sin xx = 1;   limx → 0sin 4x4x = 1;   limx → 0e sin x – 1sin x = 1;   limx → 0e sin 4x – 1sin 4x = 1;   limx → 0 z(x) = limx → 0ln(1 + 4x)4x = 1.
Применяем арифметические свойства предела функции:
L = limx → 0e 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 = 14limx → 0e 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 → 0e sin 4x – 1sin 4x = 1;
limx → 0e sin x – 1sin x = 1.
В дробях sin 4xx и sin xx заменим функции в числителе эквивалентными:
limx → 0sin 4xx = limx → 04xx = 4;
limx → 0sin xx = limx → 0xx = 1.

Применяем арифметические свойства предела функции:
4L = limx → 0sin 4xx ⋅ limx → 0e sin 4x – 1sin 4x –limx → 0sin xx ⋅ limx → 0e sin x – 1sin x = 4 ⋅ 1 – 1 ⋅ 1 = 3.

Ответ

L = 3 / 4.

Автор: Олег Одинцов.     Опубликовано:   Изменено:

Меню