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求极限 lim x → 0 [ sin x − sin ( sin x ) ] sin x x 4 \lim_{x \rightarrow 0}\frac{[\sin x-\sin (\sin x)] \sin x}{x^{4}} limx→0x4[sinx−sin(sinx)]sinx
当题目中要求的是“极限”,而且出现了 x → 0 x \rightarrow 0 x→0 时就要考虑是不是要用到或者可以用到等价无穷小。
还需要考虑的可能用到的知识是洛必达法则。当 x → 0 x \rightarrow 0 x→0 时可能产生 0 0 \frac{0}{0} 00 型的洛必达或者 ∞ ∞ \frac{\infty}{\infty} ∞∞ 型的洛必达。而且,洛必达法则就是为求极限而生的,可以把对函数的求极限转换成对函数的导数求极限,从而可能化简原式。
本题考查的是等价无穷小,需要用到的两个等价无穷小如下(当 x → 0 x \rightarrow 0 x→0 时):
x ∼ sin x ; x \sim \sin x; x∼sinx;
x − sin x ∼ 1 6 x 3 . x-\sin x \sim \frac{1}{6}x^{3}. x−sinx∼61x3.
于是有:
原 式 = lim x → 0 [ sin x − sin ( sin x ) ] sin x sin 4 x = lim x → 0 sin x − sin ( sin x ) sin 3 x 原式=\lim_{x \rightarrow 0} \frac{[\sin x-\sin (\sin x)]\sin x}{\sin^{4}x}=\lim_{x \rightarrow 0}\frac{\sin x-\sin(\sin x)}{\sin^{3} x} 原式=limx→0sin4x[sinx−sin(sinx)]sinx=limx→0sin3xsinx−sin(sinx)
令 sin x = t \sin x=t sinx=t, 则有:
原式 = lim x → 0 t − sin ( t ) t 3 =\lim_{x \rightarrow 0}\frac{t-\sin(t)}{t^{3}} =limx→0t3t−sin(t)
由于,当 x → 0 x \rightarrow 0 x→0 时, sin x → 0 \sin x \rightarrow 0 sinx→0, 于是有 t → 0 t \rightarrow 0 t→0, 因此根据常见的等价无穷小,有:
t − sin t ∼ 1 6 t 3 t-\sin t \sim \frac{1}{6}t^{3} t−sint∼61t3
因此有:
原 式 = lim x → 0 1 6 t 3 t 3 = 1 6 原式=\lim_{x \rightarrow 0}\frac{\frac{1}{6}t^{3}}{t^{3}}=\frac{1}{6} 原式=limx→0t361t3=61
本题也可以结合使用等价无穷小与 0 0 \frac{0}{0} 00 型洛必达等定理解出。
需要用到的等价无穷小有(当 x → 0 x \rightarrow 0 x→0 时):
x ∼ sin x x \sim \sin x x∼sinx
1 − cos x ∼ 1 2 x 2 1-\cos x \sim \frac{1}{2}x^{2} 1−cosx∼21x2
需要用到的洛必达法则公式是:
lim x → x 0 f ( x ) g ( x ) = lim x → 0 f ′ ( x ) g ′ ( x ) \lim_{x \rightarrow x_{0}}\frac{f(x)}{g(x)}=\lim_{x \rightarrow 0}\frac{f'(x)}{g'(x)} limx→x0g(x)f(x)=limx→0g′(x)f′(x)
需要用到的求导规则是:
( sin x ) ′ = cos x (\sin x)'=\cos x (sinx)′=cosx
( u − v ) ′ = u ′ − v ′ (u-v)'=u'-v' (u−v)′=u′−v′
f ′ ( x ) = f ′ [ g ( x ) ] g ′ ( x ) f'(x)=f'[g(x)]g'(x) f′(x)=f′[g(x)]g′(x)
解答思路如下:
由于,当 x → 0 x \rightarrow 0 x→0 时, sin x ∼ x \sin x \sim x sinx∼x, 于是有:
原 式 = lim x → 0 [ sin x − sin ( sin x ) ] sin x x 3 sin x = lim x → 0 sin x − sin ( sin x ) x 3 ( 1 ) 原式=\lim_{x \rightarrow 0}\frac{[\sin x-\sin(\sin x)]\sin x}{x^{3}\sin x}=\lim_{x \rightarrow0}\frac{\sin x-\sin(\sin x)}{x^{3}} (1) 原式=limx→0x3sinx[sinx−sin(sinx)]sinx=limx→0x3sinx−sin(sinx)(1)
由于,当 x → 0 x \rightarrow 0 x→0 时,有:
sin x − sin ( sin x ) → 0 , 且 存 在 导 数 ; \sin x-\sin(\sin x) \rightarrow 0, 且存在导数; sinx−sin(sinx)→0,且存在导数;
x 3 → 0 , 且 存 在 导 数 . x^{3} \rightarrow 0, 且存在导数. x3→0,且存在导数.
因此,可以对 ( 1 ) (1) (1) 式使用洛必达法则:
原 式 = lim x → 0 [ sin x − sin ( sin x ) ] ′ ( x 3 ) ′ = lim x → 0 cos x − cos ( sin x ) cos x 3 x 2 原式=\lim_{x\rightarrow0}\frac{[\sin x-\sin(\sin x)]'}{(x^{3})'}=\lim_{x\rightarrow0}\frac{\cos x-\cos(\sin x)\cos x}{3x^{2}} 原式=limx→0(x3)′[sinx−sin(sinx)]′=limx→03x2cosx−cos(sinx)cosx
化简得:
原 式 = lim x → 0 cos [ 1 − cos ( sin x ) ] 3 x 2 原式=\lim_{x\rightarrow0}\frac{\cos[1-\cos(\sin x)]}{3x^{2}} 原式=limx→03x2cos[1−cos(sinx)]
由于,当 x → 0 x \rightarrow 0 x→0 时, cos x → 1 \cos x \rightarrow 1 cosx→1, 因此,进一步化简得:
原 式 = lim x → 0 1 − cos ( sin x ) 3 x 2 原式=\lim_{x\rightarrow0}\frac{1-\cos(\sin x)}{3x^{2}} 原式=limx→03x21−cos(sinx)
使用等价无穷小进一步计算可得:
原 式 = lim x → 0 1 2 sin 2 x 3 x 2 = 1 2 3 = 1 6 原式=\lim_{x\rightarrow0}\frac{\frac{1}{2}\sin^{2}x}{3x^{2}}=\frac{\frac{1}{2}}{3}=\frac{1}{6} 原式=limx→03x221sin2x=321=61