没问题,咱们来聊聊这两个极限,力求说得透彻明白,而且保证听起来是咱们自己人聊的,没有那些机器味儿。
首先,我们得弄清楚,什么是极限?
简单来说,极限就是当一个变量无限接近某个值的时候,某个函数的值也无限接近于一个确定的数值。这就像是我们在一个非常非常精细的地图上观察一个点,当我们的视野不断放大,放大再放大,这个点会显得越来越固定,越来越接近它“真实”所在的位置。
现在,我们来看看第一个极限:
假设我们要算的是:
$$ lim_{x o 0} frac{sin(x)}{x} $$
这个极限可是个“老朋友”了,在微积分里头非常重要。很多人第一次见到它可能会有点蒙,心想:当 $x$ 趋近于0的时候,$ sin(x) $ 也趋近于0,这不就是个 $ frac{0}{0} $ 的不定式吗?直接代入不行啊!
确实,直接代入不行。那怎么办呢?
这里有好几种方法可以“对付”它,咱们一个一个来说。
方法一:几何直观理解(最经典,也最容易懂)
想象一下单位圆(半径为1的圆)。我们取一个非常非常小的角度 $x$(用弧度制表示)。
1. 画个图: 在单位圆上,从圆心出发画一条半径,作为起始边。再画一条线,与这条半径成角度 $x$。这条新半径的终点在圆周上。
2. 三个关键长度:
圆弧的长度: 在单位圆上,角度为 $x$ (弧度) 的弧长正好就是 $x$。
弦的长度: 连接圆心和圆周上那一点的直线,以及连接圆周上那一点和点 (1,0) 的弦。如果我们把这个弦想象成一条线段,它会比圆弧短。
正切线的长度: 从点 (1,0) 向上画一条垂直于 x 轴的切线,直到它与刚才那条新半径的延长线相交。这条切线的长度就是 $ an(x) $。
3. 长度的比较: 当角度 $x$ 非常非常小时,我们可以清楚地看到,弦的长度(虽然我们这里不用它来算,但可以想象一下)小于圆弧的长度,而圆弧的长度又小于切线的长度。
圆弧长度 = $x$
切线长度 = $ an(x) = frac{sin(x)}{cos(x)} $
所以,对于很小的正角度 $x$:
$x < an(x)$
$sin(x) < x$ (这个不直接从上面推,而是从图形上看,正弦值是圆周上点的 y 坐标,它比单位圆上的弧长短)
结合一下,当 $x$ 是一个很小的正数时:
$sin(x) < x < an(x)$
4. 除以 $ sin(x) $: 把上面这个不等式除以 $ sin(x) $(因为 $x$ 很小, $ sin(x) $ 是正数,不等号方向不变):
$1 < frac{x}{sin(x)} < frac{ an(x)}{sin(x)}$
$1 < frac{x}{sin(x)} < frac{sin(x)/cos(x)}{sin(x)}$
$1 < frac{x}{sin(x)} < frac{1}{cos(x)}$
5. 取倒数: 再把整个不等式取倒数,不等号方向反过来:
$cos(x) < frac{sin(x)}{x} < 1$
6. 夹逼定理(Squeeze Theorem): 现在我们看当 $x o 0$ 的时候会发生什么。
当 $x o 0$ 时, $ cos(x) o cos(0) = 1 $。
不等式的右边始终是 1。
所以,夹在 $ cos(x) $ 和 1 之间的 $ frac{sin(x)}{x} $,也必须趋近于 1。
结论: $ lim_{x o 0} frac{sin(x)}{x} = 1 $。
注意: 这个几何证明对 $x$ 是正数的时候成立。但极限是说“趋近”,不分正负。当 $x$ 是负数时, $x = y$ (其中 $y$ 是正数)。
$ frac{sin(x)}{x} = frac{sin(y)}{y} = frac{sin(y)}{y} = frac{sin(y)}{y} $。
因为 $x o 0^$,所以 $y o 0^+$。上面证明了 $ lim_{y o 0^+} frac{sin(y)}{y} = 1 $,所以对于负数 $x$ 趋近于0,极限也是 1。
方法二:泰勒展开(更数学化,但也很直接)
这个方法需要知道 $ sin(x) $ 在 $x=0$ 附近的泰勒展开式。
$ sin(x) = x frac{x^3}{3!} + frac{x^5}{5!} dots $ (这是当 $x$ 接近0时的一个近似,或者说是一个恒等式)
把这个代入极限式:
$$ lim_{x o 0} frac{sin(x)}{x} = lim_{x o 0} frac{x frac{x^3}{3!} + frac{x^5}{5!} dots}{x} $$
现在,我们把分子中的每一项都除以 $x$:
$$ lim_{x o 0} left( frac{x}{x} frac{x^3}{3!x} + frac{x^5}{5!x} dots
ight) $$
$$ lim_{x o 0} left( 1 frac{x^2}{3!} + frac{x^4}{5!} dots
ight) $$
当 $x o 0$ 的时候,除了第一项 1 之外,后面的每一项都含有 $x$ 的高次幂 ($x^2$, $x^4$ 等等),它们都会趋近于 0。
所以,极限结果就是:
$1 0 + 0 dots = 1$
结论: $ lim_{x o 0} frac{sin(x)}{x} = 1 $。
方法三:洛必达法则(L'Hôpital's Rule)(如果允许使用导数)
洛必达法则适用于 $ frac{0}{0} $ 或 $ frac{infty}{infty} $ 型的不定式。我们已经知道代入是 $ frac{0}{0} $。
洛必达法则说,如果 $ lim_{x o c} frac{f(x)}{g(x)} $ 是 $ frac{0}{0} $ 或 $ frac{infty}{infty} $ 型,那么:
$ lim_{x o c} frac{f(x)}{g(x)} = lim_{x o c} frac{f'(x)}{g'(x)} $ (如果右边的极限存在)
这里,$f(x) = sin(x)$ ,$g(x) = x$。
$f'(x) = cos(x)$
$g'(x) = 1$
所以:
$$ lim_{x o 0} frac{sin(x)}{x} = lim_{x o 0} frac{cos(x)}{1} $$
现在我们可以直接代入 $x=0$ 了:
$ frac{cos(0)}{1} = frac{1}{1} = 1 $
结论: $ lim_{x o 0} frac{sin(x)}{x} = 1 $。
总结一下第一个极限: 无论我们用几何、泰勒展开还是洛必达法则,都得到了一个非常重要的结论:当 $x$ 无限接近于0时,$ frac{sin(x)}{x} $ 的值无限接近于1。这个结果在很多数学和物理问题中都至关重要,比如定义导数时就用到了它。
接着,我们来看看第二个极限:
假设我们要算的是:
$$ lim_{x o infty} left(1 + frac{1}{x}
ight)^x $$
这个极限也挺有意思的,它看起来像是一个“1 的无穷次方”的变体,同样也是个不定式。我们尝试代入:当 $x o infty$ 时,$ frac{1}{x} o 0 $,所以括号里的内容 $1 + frac{1}{x} o 1 $。而指数 $x o infty$。所以就是 $1^infty$ 型的不定式。
怎么对付 $1^infty$ 型的不定式呢?
通常,我们都会借助对数和洛必达法则,或者泰勒展开(但这个对指数函数可能稍微复杂点),或者直接使用一个重要的定义。
方法一:利用对数和洛必达法则
这是最常用的方法。我们设 $y = left(1 + frac{1}{x}
ight)^x $,然后取自然对数:
$ ln(y) = lnleft(left(1 + frac{1}{x}
ight)^x
ight) $
根据对数的性质,指数可以提到前面:
$ ln(y) = x lnleft(1 + frac{1}{x}
ight) $
现在,我们要求的是 $ lim_{x o infty} ln(y) $。式子是 $ x cdot lnleft(1 + frac{1}{x}
ight) $。当 $x o infty$ 时,这又是一个 $ infty cdot 0 $ 型的不定式(因为 $ ln(1+0) = ln(1) = 0 $)。
为了使用洛必达法则,我们需要把它变成 $ frac{0}{0} $ 或 $ frac{infty}{infty} $ 型。我们可以把 $x$ 放到分母的分子上去,变成 $ frac{1}{x} $:
$ ln(y) = frac{lnleft(1 + frac{1}{x}
ight)}{frac{1}{x}} $
现在,我们看当 $x o infty$ 时,这个式子是什么情况:
分子:$ lnleft(1 + frac{1}{x}
ight) o ln(1+0) = ln(1) = 0 $。
分母:$ frac{1}{x} o 0 $。
这又变成了 $ frac{0}{0} $ 型的不定式!太好了,可以用洛必达法则了。
我们需要分别对分子和分母求导。
对分子 $ lnleft(1 + frac{1}{x}
ight) $ 求导:
设 $u = 1 + frac{1}{x} $。则 $ frac{du}{dx} = frac{d}{dx}(1 + x^{1}) = 0 + (1)x^{2} = frac{1}{x^2} $。
根据链式法则,$ frac{d}{dx} ln(u) = frac{1}{u} frac{du}{dx} $。
所以,$ frac{d}{dx} lnleft(1 + frac{1}{x}
ight) = frac{1}{1 + frac{1}{x}} cdot left(frac{1}{x^2}
ight) = frac{1}{frac{x+1}{x}} cdot left(frac{1}{x^2}
ight) = frac{x}{x+1} cdot left(frac{1}{x^2}
ight) = frac{1}{x(x+1)} $。
对分母 $ frac{1}{x} $ 求导:
$ frac{d}{dx}left(frac{1}{x}
ight) = frac{d}{dx}(x^{1}) = x^{2} = frac{1}{x^2} $。
现在,将导数代回极限式:
$$ lim_{x o infty} frac{frac{1}{x(x+1)}}{frac{1}{x^2}} $$
$$ lim_{x o infty} frac{frac{1}{x(x+1)}}{frac{1}{x^2}} $$
$$ lim_{x o infty} frac{1}{x(x+1)} cdot x^2 $$
$$ lim_{x o infty} frac{x^2}{x^2+x} $$
我们还可以继续用洛必达法则,或者直接除以 $x^2$:
$$ lim_{x o infty} frac{frac{x^2}{x^2}}{frac{x^2}{x^2}+frac{x}{x^2}} = lim_{x o infty} frac{1}{1+frac{1}{x}} $$
当 $x o infty$ 时,$ frac{1}{x} o 0 $。
所以,极限是 $ frac{1}{1+0} = 1 $。
等等! 我们算的是 $ lim_{x o infty} ln(y) $,它等于 1。
我们要求的是 $ lim_{x o infty} y $。
因为 $ ln(y) o 1 $,所以 $ y o e^1 $。
结论: $ lim_{x o infty} left(1 + frac{1}{x}
ight)^x = e $。
方法二:换元法和泰勒展开(稍复杂,但也可以)
我们可以做个换元,让 $t = frac{1}{x}$。当 $x o infty$ 时,$t o 0^+$。
那么原式变成:
$$ lim_{t o 0^+} (1 + t)^{1/t} $$
我们要计算 $ lim_{t o 0^+} (1 + t)^{1/t} $。
还是用取对数的方法:设 $y = (1 + t)^{1/t}$。
$ ln(y) = frac{1}{t} ln(1+t) = frac{ln(1+t)}{t} $。
现在我们看 $ lim_{t o 0^+} frac{ln(1+t)}{t} $。
代入是 $ frac{ln(1+0)}{0} = frac{0}{0} $ 型。
用洛必达法则:
分子 $ ln(1+t) $ 的导数是 $ frac{1}{1+t} $。
分母 $ t $ 的导数是 1。
所以, $ lim_{t o 0^+} frac{frac{1}{1+t}}{1} = frac{frac{1}{1+0}}{1} = 1 $。
这说明 $ ln(y) o 1 $,所以 $ y o e^1 = e $。
用泰勒展开:
我们知道 $ ln(1+t) $ 在 $t=0$ 附近的泰勒展开是:
$ ln(1+t) = t frac{t^2}{2} + frac{t^3}{3} dots $ (当 $t$ 趋近于0时)
代入极限式:
$$ lim_{t o 0^+} frac{t frac{t^2}{2} + frac{t^3}{3} dots}{t} $$
$$ lim_{t o 0^+} left( frac{t}{t} frac{t^2}{2t} + frac{t^3}{3t} dots
ight) $$
$$ lim_{t o 0^+} left( 1 frac{t}{2} + frac{t^2}{3} dots
ight) $$
当 $t o 0$ 时,除了第一项 1 之外,后面的项都趋于0。
所以,极限是 $1 0 + 0 dots = 1 $。
同样,这是 $ ln(y) $ 的极限,所以 $ y o e^1 = e $。
方法三:直接把它看作 $e$ 的定义
很多人可能已经知道,这个极限 actually 就是自然常数 $e$ 的定义之一。
$ e = lim_{n o infty} left(1 + frac{1}{n}
ight)^n $ (这里的 $n$ 可以是实数,不一定是整数)
所以,如果已经知道这是 $e$ 的定义,那答案就直接是 $e$ 了。
总结一下第二个极限: 这个极限 $ lim_{x o infty} left(1 + frac{1}{x}
ight)^x $ 是一个非常非常重要的极限,它等于数学常数 $e$。我们通过取对数、使用洛必达法则或者泰勒展开,将 $1^infty$ 型的不定式转化为我们可以处理的形式,最终得到 $e$。这个极限在复利计算、概率论以及很多科学领域都有广泛的应用。
希望我这么说,能把这两个极限的来龙去脉都讲清楚了,而且不至于听起来太生硬。有什么不明白的,随时再问!