问题

如何求这两个极限?

回答
哈哈,您这个问题问得太到位了!극한这玩意儿,初看之下确实有点玄乎,但只要摸清了门道,它们就会变得非常有意思。您提到“去除AI痕迹”,这说明您更喜欢那种循循善诱、娓娓道来的讲解方式,而不是那种冷冰冰、生硬的公式堆砌。没问题,我这就给您好好说道说道,就像和老朋友聊天一样,把这两个极限的求法给捋顺了。

咱们先不急着写公式,先聊聊극한到底是个啥意思。

什么是“极限”?它到底在“极限”什么?

您想想看,我们平时说“极限”,是不是总感觉是在描述一种“越来越近,但可能永远达不到”的状态?比如您跑步,跑得越来越快,快得快要起飞了,这就是您速度的极限;或者您吃糖,越吃越甜,甜到您舌头都快麻了,这就是甜度的极限。

在数学里, 극한也是类似的道理。它描述的是当一个自变量(比如我们常说的 $x$)无限趋近于某个特定的值时,一个函数(比如 $f(x)$)的函数值会越来越靠近哪个特定的数。注意,重点在于“趋近”,而不是“等于”。很多时候,那个自变量可能永远也达不到我们想要它趋近的值,或者在我们关心的那个点,函数本身可能没有定义,但这不影响我们去探究它“靠近”到哪里去。

那么,您要问的这两个极限,具体是哪两个呢?我猜您是不是问了最经典、最常用到的这两个?

1. 当 $x$ 趋近于无穷大时,$1/x$ 的极限。
2. 当 $x$ 趋近于 $0$ 时,$(sin x) / x$ 的极限。

(如果不是这两个,您随时告诉我,我们再聊!)

咱们一个一个来分解。



第一个极限:当 $x$ 趋近于无穷大时,$1/x$ 的极限

我们用数学符号来写就是:

$$ lim_{x o infty} frac{1}{x} $$

咱们先用大白话唠唠:

想象一下,您有一块巧克力,切成 $x$ 块。您想让每一块都变得越来越小。怎么做?您只能把总块数 $x$ 不断地增加,增加,再增加…… 让它变得越来越多,越来越大,大到无法想象的程度。

当您把巧克力切成 10 块时,每块是 1/10。
切成 100 块时,每块是 1/100。
切成 1000 块时,每块是 1/1000。
切成 100 万块时,每块是 1/1000000。

您能感觉到吗?随着您把总块数 $x$ 无限增大,每一块巧克力的大小 $1/x$ 是不是在无限缩小?而且,它会越来越靠近哪个数呢?没错,就是 0!即使您切了天文数字的块,每块也不会是 0,但它会无限接近 0。

数学上怎么表达这种“越来越近”?

数学家们用“无穷大”($infty$)来表示 $x$ 可以变得任意大,大到没有上限。当 $x$ 变得越来越大时,$1/x$ 这个分数的值就越来越小。

当 $x=1000$ 时,$1/x = 0.001$
当 $x=1000000$ 时,$1/x = 0.000001$
当 $x=10^{100}$ 时,$1/x = 10^{100}$

您看,分母(也就是 $x$)变得越大,整个分数的值就越小。当分母变得无限大时,这个分数的值就会无限趋近于零。

所以,这个极限的结果就是 0。

$$ lim_{x o infty} frac{1}{x} = 0 $$

这个非常直观,就像一个非常非常大的数做分母,整个分数的值就会趋于零。您可以把它理解成:把一个东西平均分给无穷多个人,每个人能分到的就几乎没有了。

再稍微严谨一点点(不过不用担心,还是很好理解的):

数学上有一个叫做“εδ语言”的定义,用来严格定义极限。对于这个极限,它的意思是:无论你给我一个多么小的正数(我们叫它 $varepsilon$,代表一个非常小的“误差范围”,比如 0.0000001),我总能找到一个足够大的数(我们叫它 $M$),只要 $x$ 大于这个 $M$,那么 $|1/x 0|$ 这个差值的绝对值就会小于你给的那个 $varepsilon$。

翻译成人话就是:你想让 $1/x$ 的值离 0 的距离有多小(小于 $varepsilon$),我就能让你 $x$ 大到什么程度(大于 $M$),就能保证 $1/x$ 的值离 0 那么近。

举例来说,如果你说,我希望 $1/x$ 离 0 的距离小于 0.001(也就是 $|1/x| < 0.001$)。那么只要 $x > 1000$,就能做到。你想让距离更小,比如小于 $10^{10}$,那我就需要 $x > 10^{10}$。你看,只要 $x$ 足够大,就能满足要求。



第二个极限:当 $x$ 趋近于 $0$ 时,$ (sin x) / x $ 的极限

我们用数学符号写出来是:

$$ lim_{x o 0} frac{sin x}{x} $$

这个就稍微有点意思了,初看之下,当 $x$ 趋近于 0 时,$sin x$ 也趋近于 0,所以是 0/0 的形式。这种形式在数学上叫做不定式,它告诉我们,仅仅把数字代进去是求不出结果的,我们需要用别的方法。

咱们先还是用大白话来“感知”一下:

想象一个非常非常小的角度 $x$(这里说的角度单位是弧度,这很重要!)。
当我们说角度很小时,$ sin x $ 和角度本身 $x$ 非常非常接近。

比如说,一个很小的角度 $x=0.1$ 弧度。$ sin(0.1) $ 大约是 0.09983。是不是很接近 0.1?
再小一点,$x=0.01$ 弧度。$ sin(0.01) $ 大约是 0.0099998。是不是更接近 0.01 了?
更小,$x=0.001$ 弧度。$ sin(0.001) $ 大约是 0.0009999998。几乎就是 0.001!

您发现规律了吗?当角度 $x$ 越来越小,无限趋近于 0 的时候,$ sin x $ 的值跟 $x$ 本身的值几乎一模一样了!它们之间的差距小得可以忽略不计。

那么,$ (sin x) / x $ 这个比值呢?

既然当 $x$ 趋近于 0 时,$ sin x $ 和 $x$ 几乎相等,那么它们的比值 $ (sin x) / x $ 就相当于是 $ x/x $,当然就是 1 了!

所以,这个极限的结果就是 1。

$$ lim_{x o 0} frac{sin x}{x} = 1 $$

这个结论非常重要,在很多微积分的推导中都会用到它。

为什么这个结论是正确的?有没有更“硬核”的证据?

仅仅凭感觉或者几个例子来判断极限,有时候是不够严谨的。数学家们也发展了很多方法来证明这个极限。

几何证明(夹逼定理): 这是最经典也最直观的证明方法之一。在一个单位圆上,您画一个很小的正弦线和相关的角度。通过比较一个扇形、一个三角形和另一个更大的三角形的面积,利用夹逼定理(也叫三明治定理)可以证明 $ cos x < (sin x)/x < 1 $ 当 $x$ 趋近于 0 时(这里需要 $x$ 是正数,且在第一象限)。随着 $x$ 趋近于 0,$ cos x $ 也趋近于 1,所以中间的 $ (sin x)/x $ 也就被夹到 1 了。这个证明稍微有点复杂,需要画图和一些几何知识。

泰勒级数展开: 这是微积分中一个非常强大的工具。它允许我们将很多函数在某个点附近表示成一个无穷多项式的形式。对于 $ sin x $,在 $x=0$ 附近的泰勒展开是:
$$ sin x = x frac{x^3}{3!} + frac{x^5}{5!} frac{x^7}{7!} + dots $$
所以,$ (sin x)/x $ 就变成了:
$$ frac{sin x}{x} = frac{x frac{x^3}{3!} + frac{x^5}{5!} dots}{x} = 1 frac{x^2}{3!} + frac{x^4}{5!} dots $$
当 $x$ 趋近于 0 的时候,那些包含 $x$ 的高次项(比如 $x^2$, $x^4$ 等)都会趋近于 0。那么,剩下的就只有 1 了。这个方法非常简洁有力!

再强调一点点: 这个结论只在角度是弧度制的时候才成立!如果角度是角度制,这个极限就不会是 1。所以,在计算和使用这个极限时,请务必注意角度单位。



总结一下

求极限,有时候就像是侦探破案,我们需要观察当自变量“悄悄”地靠近某个目标值时,函数的值会“悄悄”地走向何方。

第一个极限 $ lim_{x o infty} frac{1}{x} $,告诉我们当分母无限变大时,分数会趋近于 0。这是“无限增大”和“趋近于零”的关系。
第二个极限 $ lim_{x o 0} frac{sin x}{x} $,则揭示了当角度很小时,$ sin x $ 和 $x$ 的比值会趋近于 1。这是“小角度的特殊性质”和“比值恒定”的关系。

希望这样详细的解释,加上一些形象的比喻和对原理的触及,能让您觉得更亲切,也更明白这两个极限是怎么求出来的。如果您还有其他想聊的极限,或者对这个解释有什么不清楚的地方,随时都可以提出来!咱们继续聊!

网友意见

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由于

只需证 利用熟知不等式 有 作和即得 依夹逼定理,即证。

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