等价无穷小替换法

等价无穷小替换法是求解极限的重要方法。通过将复杂的无穷小量替换为等价的简单无穷小量,可以大大简化极限计算。

基本原理

如果 α(x)\alpha(x) 和 β(x)\beta(x) 是等价无穷小,即 α(x)∼β(x)\alpha(x) \sim \beta(x),那么:

等价无穷小替换法的基本原理

lim⁡x→af(x)α(x)=lim⁡x→af(x)β(x)\lim_{x \to a} \frac{f(x)}{\alpha(x)} = \lim_{x \to a} \frac{f(x)}{\beta(x)}

等价无穷小的定义

等价无穷小的定义

当 x→ax \to a 时,如果 lim⁡x→aα(x)β(x)=1\lim_{x \to a} \frac{\alpha(x)}{\beta(x)} = 1,则称 α(x)\alpha(x) 和 β(x)\beta(x) 是等价无穷小,记作 α(x)∼β(x)\alpha(x) \sim \beta(x)。

常用等价无穷小关系

1. 基本等价关系(x→0x \to 0)

sin⁡x∼x\sin x \sim x tan⁡x∼x\tan x \sim x arcsin⁡x∼x\arcsin x \sim x arctan⁡x∼x\arctan x \sim x ln⁡(1+x)∼x\ln(1 + x) \sim x ex−1∼xe^x - 1 \sim x (1+x)a−1∼ax(1 + x)^a - 1 \sim ax

2. 复合等价关系

sin⁡(x2)∼x2\sin(x^2) \sim x^2 ln⁡(1+x2)∼x2\ln(1 + x^2) \sim x^2 ex2−1∼x2e^{x^2} - 1 \sim x^2

3. 高阶等价关系

sin⁡x−x∼−x36\sin x - x \sim -\frac{x^3}{6} tan⁡x−x∼x33\tan x - x \sim \frac{x^3}{3} ln⁡(1+x)−x∼−x22\ln(1 + x) - x \sim -\frac{x^2}{2}

典型例题

例题 1

求极限 lim⁡x→0sin⁡3xtan⁡2x\lim_{x \to 0} \frac{\sin 3x}{\tan 2x}

等价无穷小

解题思路: 这是一个 00\frac{0}{0} 型不定式,可以使用等价无穷小替换。

详细步骤:

  1. 检查不定式类型:

    • 当 x→0x \to 0 时,分子 sin⁡3x→0\sin 3x \to 0
    • 当 x→0x \to 0 时,分母 tan⁡2x→0\tan 2x \to 0
    • 因此是 00\frac{0}{0} 型不定式
  2. 使用等价无穷小替换:

    • sin⁡3x∼3x\sin 3x \sim 3x
    • tan⁡2x∼2x\tan 2x \sim 2x
  3. 替换后求极限: lim⁡x→0sin⁡3xtan⁡2x=lim⁡x→03x2x=lim⁡x→032=32\lim_{x \to 0} \frac{\sin 3x}{\tan 2x} = \lim_{x \to 0} \frac{3x}{2x} = \lim_{x \to 0} \frac{3}{2} = \frac{3}{2}

最终答案: lim⁡x→0sin⁡3xtan⁡2x=32\lim_{x \to 0} \frac{\sin 3x}{\tan 2x} = \frac{3}{2}

例题 2

求极限 lim⁡x→0ln⁡(1+x2)x2\lim_{x \to 0} \frac{\ln(1 + x^2)}{x^2}

等价无穷小

解题思路: 这是一个 00\frac{0}{0} 型不定式,可以使用等价无穷小替换。

详细步骤:

  1. 检查不定式类型:

    • 当 x→0x \to 0 时,分子 ln⁡(1+x2)→0\ln(1 + x^2) \to 0
    • 当 x→0x \to 0 时,分母 x2→0x^2 \to 0
    • 因此是 00\frac{0}{0} 型不定式
  2. 使用等价无穷小替换:

    • ln⁡(1+x2)∼x2\ln(1 + x^2) \sim x^2
  3. 替换后求极限: lim⁡x→0ln⁡(1+x2)x2=lim⁡x→0x2x2=lim⁡x→01=1\lim_{x \to 0} \frac{\ln(1 + x^2)}{x^2} = \lim_{x \to 0} \frac{x^2}{x^2} = \lim_{x \to 0} 1 = 1

最终答案: lim⁡x→0ln⁡(1+x2)x2=1\lim_{x \to 0} \frac{\ln(1 + x^2)}{x^2} = 1

练习题

练习 1

求极限 lim⁡x→0ex−1sin⁡x\lim_{x \to 0} \frac{e^x - 1}{\sin x}

等价无穷小

解题思路: 这是一个 00\frac{0}{0} 型不定式,可以使用等价无穷小替换。

详细步骤:

  1. 检查不定式类型:

    • 当 x→0x \to 0 时,分子 ex−1→0e^x - 1 \to 0
    • 当 x→0x \to 0 时,分母 sin⁡x→0\sin x \to 0
    • 因此是 00\frac{0}{0} 型不定式
  2. 使用等价无穷小替换:

    • ex−1∼xe^x - 1 \sim x
    • sin⁡x∼x\sin x \sim x
  3. 替换后求极限: lim⁡x→0ex−1sin⁡x=lim⁡x→0xx=lim⁡x→01=1\lim_{x \to 0} \frac{e^x - 1}{\sin x} = \lim_{x \to 0} \frac{x}{x} = \lim_{x \to 0} 1 = 1

最终答案: lim⁡x→0ex−1sin⁡x=1\lim_{x \to 0} \frac{e^x - 1}{\sin x} = 1

练习 2

求极限 lim⁡x→0tan⁡x−xx3\lim_{x \to 0} \frac{\tan x - x}{x^3}

等价无穷小

解题思路: 这是一个 00\frac{0}{0} 型不定式,需要使用高阶等价关系。

详细步骤:

  1. 检查不定式类型:

    • 当 x→0x \to 0 时,分子 tan⁡x−x→0\tan x - x \to 0
    • 当 x→0x \to 0 时,分母 x3→0x^3 \to 0
    • 因此是 00\frac{0}{0} 型不定式
  2. 使用高阶等价关系:

    • tan⁡x−x∼x33\tan x - x \sim \frac{x^3}{3}
  3. 替换后求极限: lim⁡x→0tan⁡x−xx3=lim⁡x→0x33x3=lim⁡x→013=13\lim_{x \to 0} \frac{\tan x - x}{x^3} = \lim_{x \to 0} \frac{\frac{x^3}{3}}{x^3} = \lim_{x \to 0} \frac{1}{3} = \frac{1}{3}

最终答案: lim⁡x→0tan⁡x−xx3=13\lim_{x \to 0} \frac{\tan x - x}{x^3} = \frac{1}{3}


总结

本文出现的符号

符号类型读音/说明在本文中的含义
lim⁡x→a\lim_{x \to a}数学符号limit as x approaches ax→ax \to a 时的极限
∼\sim数学符号tilde(等价号)两个无穷小量等价
α(x),β(x)\alpha(x), \beta(x)希腊字母Alpha/Beta(阿尔法/贝塔)无穷小量
f(x)f(x)数学符号f of x参与极限比较的函数
sin⁡x,tan⁡x\sin x, \tan x数学符号sine/tangent of x三角函数
arcsin⁡x,arctan⁡x\arcsin x, \arctan x数学符号arc sine/arc tangent of x反三角函数
ln⁡(1+x)\ln(1 + x)数学符号natural log of 1 plus x自然对数函数
exe^x数学符号e to the x指数函数
(1+x)a(1 + x)^a数学符号1 plus x to the a幂函数
00\frac{0}{0}数学符号zero over zero不定式

中英对照

中文术语英文术语音标说明
等价无穷小equivalent infinitesimal/ɪˈkwɪvələnt ˌɪnfɪnɪˈtesɪməl/比值趋于 1 的无穷小量
无穷小量infinitesimal/ˌɪnfɪnɪˈtesɪməl/趋于零的变量
等价替换equivalent substitution/ɪˈkwɪvələnt ˌsʌbstɪˈtjuːʃən/用等价量替换简化计算
不定式indeterminate form/ˌɪndɪˈtɜːmɪnət fɔːm/无法直接确定的极限形式
高阶等价higher-order equivalence/ˈhaɪə ˈɔːdə ɪˈkwɪvələns/更高阶的等价关系
反三角函数inverse trigonometric function/ˌɪnˈvɜːs ˌtrɪɡənəˈmetrɪk ˈfʌŋkʃən/三角函数的反函数

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