问题

这两道的极限怎么求?

回答
您好!很乐意为您详细解答这两道极限问题,并且尽量用自然、生动的语言来解释,让您感觉就像是和一位朋友在探讨数学一样。

在开始之前,我们先回顾一下极限的几个核心概念,这就像是给我们的“数学工具箱”上上膛一样:

趋近而非相等: 极限关注的是当自变量“无限接近”某个值时,函数值的“趋向”或“收敛”到的值,而不是函数在该点的值本身(甚至该点函数可能没有定义)。
无穷小与无穷大: 我们会遇到变量趋向于0(无穷小)或者趋向于无穷大(正无穷或负无穷)的情况。
不定式: 当我们直接代入数值发现出现 `0/0`、`∞/∞`、`∞ ∞`、`0 ∞`、`1^∞`、`0^0`、`∞^0` 这种“模棱两可”的形式时,就需要进一步处理了,因为它们不直接告诉我们极限是多少。

好了,工具准备就绪,我们来逐一攻克这两道题目吧!



题目一:求 $lim_{x o 0} frac{sin(2x)}{3x}$

这道题是我们在学习极限时经常会遇到的一个经典例子。

第一步:初步观察与“诊断”

我们先尝试将 $x=0$ 代入函数表达式:
分子:$sin(2 imes 0) = sin(0) = 0$
分母:$3 imes 0 = 0$

哎呀!我们得到了一个 `0/0` 的不定式。这就像是医生检查病人,发现情况不明朗,需要进一步的检查和治疗了。直接代入得不到结果,说明我们需要运用一些技巧来“化解”这个不定式。

第二步:寻找“万能钥匙”——重要的极限公式

在处理涉及三角函数(特别是 $sin$)的极限时,有一个极其重要且常用的公式,它就像是解决这类问题的“万能钥匙”:

$$ lim_{ heta o 0} frac{sin( heta)}{ heta} = 1 $$

这个公式的意思是,当一个角度 $ heta$ 无限接近于0时,$sin( heta)$ 和 $ heta$ 本身的变化速度是相同的,它们的比值就会趋近于1。想象一下,当角度非常非常小的时候,$sin( heta)$ 的值几乎就等于那个角度本身(弧度制下)。

第三步:巧妙变形,套用公式

我们的目标是把 $frac{sin(2x)}{3x}$ 变成包含 $frac{sin( heta)}{ heta}$ 这种结构的形式。

观察一下,分子是 $sin(2x)$,这里面有个“2x”。而分母是 $3x$。为了套用那个公式,我们需要在分母上“制造”出一个与分子中 $sin$ 的参数(也就是 $2x$)完全相同的项。

我们怎么做呢?很简单,给分母“添油加醋”:

我们希望分母出现 $2x$,但现在只有 $3x$。
我们可以在分母上除以 $2x$,这样就有了 $frac{2x}{3x}$ 的样子。
但是,我们不能凭空改变原式的值。所以,当我们除以 $2x$ 的时候,必须同时乘以 $2x$,以保持平衡。

我们来看看具体的步骤:

1. 目标是 $frac{sin(2x)}{2x}$: 我们先把 $sin(2x)$ 和 $2x$ 配对。
$$ frac{sin(2x)}{3x} = frac{sin(2x)}{1} imes frac{1}{3x} $$
2. 引入 $2x$ 到分母: 为了套用公式 $lim_{ heta o 0} frac{sin( heta)}{ heta} = 1$,我们将分子中的 $2x$ 视为 $ heta$。那么,我们需要分母也是 $2x$。我们可以在分母上乘一个 $2$,同时除以一个 $2$ 来抵消,或者更直接地说,分子是 $sin(2x)$,它在“寻找”分母的 $2x$。而我们的分母只有 $3x$。
我们把 $frac{1}{3x}$ 改写一下:
$$ frac{1}{3x} = frac{1}{3} imes frac{1}{x} $$
现在我们有 $sin(2x)$ 和 $frac{1}{x}$。我们需要 $sin(2x)$ 和 $2x$ 配对。
$$ frac{sin(2x)}{3x} = frac{sin(2x)}{x} imes frac{1}{3} $$
我们想要 $frac{sin(2x)}{2x}$,所以我们可以在分子和分母上同时乘以 2(或者说,在分母上乘以2,同时为了不改变值,在分子上再乘以2)。

让我们换一种更清晰的思路:
我们将原式写成:
$$ frac{sin(2x)}{3x} = frac{1}{3} imes frac{sin(2x)}{x} $$
为了让 $frac{sin(2x)}{x}$ 变成 $frac{sin(2x)}{2x}$,我们需要分子和分母上都乘以 2。
$$ frac{1}{3} imes frac{sin(2x)}{x} = frac{1}{3} imes frac{2 sin(2x)}{2x} $$
现在,我们把那个 $2$ 放到前面,变成一个系数:
$$ frac{1}{3} imes 2 imes frac{sin(2x)}{2x} $$
也就是:
$$ frac{2}{3} imes frac{sin(2x)}{2x} $$

第四步:应用极限的性质进行计算

现在我们有了 $frac{2}{3} imes frac{sin(2x)}{2x}$ 这个形式。
当 $x o 0$ 时,我们有:
$frac{2}{3}$ 是一个常数,它的极限就是它本身。
$frac{sin(2x)}{2x}$ 是什么呢?让我们仔细看看。当 $x o 0$ 时,我们令 $ heta = 2x$。那么当 $x o 0$ 的时候,$ heta = 2x$ 也趋向于 $2 imes 0 = 0$。
所以,$lim_{x o 0} frac{sin(2x)}{2x} = lim_{ heta o 0} frac{sin( heta)}{ heta}$。
根据我们前面提到的“万能钥匙”公式,这个极限值就是 $1$。

现在,我们把这些部分结合起来:
$$ lim_{x o 0} frac{sin(2x)}{3x} = lim_{x o 0} left( frac{2}{3} imes frac{sin(2x)}{2x} ight) $$
根据极限的乘法性质(常数可以提到极限符号外面),我们有:
$$ = frac{2}{3} imes lim_{x o 0} frac{sin(2x)}{2x} $$
而 $lim_{x o 0} frac{sin(2x)}{2x} = 1$。
所以,
$$ = frac{2}{3} imes 1 = frac{2}{3} $$

结论: 经过一番“变戏法”,我们成功地将 $frac{sin(2x)}{3x}$ 转化成了 $frac{2}{3} imes frac{sin(2x)}{2x}$ 的形式,并利用了重要的极限公式 $lim_{ heta o 0} frac{sin( heta)}{ heta} = 1$,最终得到极限值为 $frac{2}{3}$。

另一种思路:洛必达法则(如果学过的话)

如果你已经学过洛必达法则,这个问题会更直接。洛必达法则适用于 `0/0` 或 `∞/∞` 这类不定式。

洛必达法则: 如果 $lim_{x o c} frac{f(x)}{g(x)}$ 是 $frac{0}{0}$ 或 $frac{infty}{infty}$ 型,那么 $lim_{x o c} frac{f(x)}{g(x)} = lim_{x o c} frac{f'(x)}{g'(x)}$ (前提是右边的极限存在)。

1. 检查不定式: 我们已经知道 $lim_{x o 0} frac{sin(2x)}{3x}$ 是 `0/0` 型。
2. 求导:
令 $f(x) = sin(2x)$,则 $f'(x) = cos(2x) imes 2 = 2cos(2x)$ (利用链式法则)。
令 $g(x) = 3x$,则 $g'(x) = 3$。
3. 代入洛必达法则公式:
$$ lim_{x o 0} frac{sin(2x)}{3x} = lim_{x o 0} frac{2cos(2x)}{3} $$
4. 再次代入极限值:
当 $x o 0$ 时,$cos(2x) o cos(0) = 1$。
所以,
$$ lim_{x o 0} frac{2cos(2x)}{3} = frac{2 imes 1}{3} = frac{2}{3} $$
两种方法殊途同归,都得到了 $frac{2}{3}$。对于初学者来说,掌握第一个方法(利用公式变形)会更有助于理解极限的本质。



题目二:求 $lim_{x o infty} frac{3x^2 + 5x 1}{2x^2 4x + 7}$

这道题是关于当自变量趋向无穷大时,函数会发生什么变化的典型例子。

第一步:初步观察与“诊断”

当 $x o infty$ 时,分子中的 $3x^2$ 会变得越来越大,远超 $5x$ 和 $1$。分母中的 $2x^2$ 也会变得越来越大,远超 $4x$ 和 $7$。

如果我们将 $x o infty$ 直接代入,会得到一个 `∞/∞` 的不定式。这就像是分子和分母都在往天上飞,而且飞得一样快,我们看不出谁“赢”了。所以,我们也需要技巧来处理。

第二步:寻找“主导项”并化简

当自变量趋向无穷大时,我们主要关注多项式中次数最高的那个项,因为它对整体数值的影响最大,也最“强势”。

在分子 $3x^2 + 5x 1$ 中,最高次项是 $3x^2$。
在分母 $2x^2 4x + 7$ 中,最高次项是 $2x^2$。

我们处理这类极限的通用策略是:将分子和分母同时除以分母的最高次项。 在这个例子中,分母的最高次项是 $x^2$(我们通常除以包含 $x$ 的最高次项,而不是系数)。

我们来执行这个操作:

$$ lim_{x o infty} frac{3x^2 + 5x 1}{2x^2 4x + 7} $$

我们将分子和分母的每一项都除以 $x^2$:

$$ = lim_{x o infty} frac{frac{3x^2}{x^2} + frac{5x}{x^2} frac{1}{x^2}}{frac{2x^2}{x^2} frac{4x}{x^2} + frac{7}{x^2}} $$

第三步:化简并利用无穷小量的性质

现在我们来逐项化简:

$frac{3x^2}{x^2} = 3$
$frac{5x}{x^2} = frac{5}{x}$
$frac{1}{x^2}$
$frac{2x^2}{x^2} = 2$
$frac{4x}{x^2} = frac{4}{x}$
$frac{7}{x^2}$

代入化简后的表达式:

$$ = lim_{x o infty} frac{3 + frac{5}{x} frac{1}{x^2}}{2 frac{4}{x} + frac{7}{x^2}} $$

接下来,我们要利用一个关键的性质:当 $x$ 趋向于无穷大时,任何常数除以 $x$(或 $x$ 的高次幂)的表达式,其极限都趋向于 0。

例如:
$lim_{x o infty} frac{5}{x} = 0$
$lim_{x o infty} frac{1}{x^2} = 0$
$lim_{x o infty} frac{4}{x} = 0$
$lim_{x o infty} frac{7}{x^2} = 0$

我们把这些极限值代入我们化简后的表达式:

$$ = frac{3 + 0 0}{2 0 + 0} $$
$$ = frac{3}{2} $$

结论: 通过将分子分母同时除以最高次项 $x^2$,我们将复杂的 `∞/∞` 不定式转化成了常数和趋向于零的项的组合。最终我们发现,当 $x$ 趋于无穷大时,这个有理函数的极限就是分子和分母的最高次项系数之比,即 $frac{3}{2}$。

另一种思路:洛必达法则(同样适用于此题)

对于 `∞/∞` 型的不定式,洛必达法则依然适用。

1. 检查不定式: 我们已经确定当 $x o infty$ 时,原式是 `∞/∞` 型。
2. 求导:
令 $f(x) = 3x^2 + 5x 1$,则 $f'(x) = 6x + 5$。
令 $g(x) = 2x^2 4x + 7$,则 $g'(x) = 4x 4$。
3. 代入洛必达法则公式:
$$ lim_{x o infty} frac{3x^2 + 5x 1}{2x^2 4x + 7} = lim_{x o infty} frac{6x + 5}{4x 4} $$
4. 再次检查不定式: 当 $x o infty$ 时,分子 $6x+5 o infty$,分母 $4x4 o infty$。我们仍然面临 `∞/∞` 的不定式,所以可以再次使用洛必达法则。
5. 再次求导:
令 $f_1(x) = 6x + 5$,则 $f_1'(x) = 6$。
令 $g_1(x) = 4x 4$,则 $g_1'(x) = 4$。
6. 代入洛必达法则公式:
$$ lim_{x o infty} frac{6x + 5}{4x 4} = lim_{x o infty} frac{6}{4} $$
7. 计算极限:
$$ lim_{x o infty} frac{6}{4} = frac{6}{4} = frac{3}{2} $$
可以看到,即使多次使用洛必达法则,结果也与第一种方法一致。不过对于有理函数在 $x o infty$ 的情况,通常第一种“除以最高次项”的方法更直接也更能体现极限的渐进行为。



希望这些详细的解释能帮助您理解这两道极限题的求解过程!在学习极限的过程中,多练习,多思考,体会各种不定式的处理技巧,您会越来越得心应手的。如果您还有其他问题,随时都可以再来交流!

网友意见

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2.


3.

所以

这样递推下去, 可以得到

所以数列 单调递减且有下界, 所以极限 存在,

所以

解得

       import stolz定理     

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