1998 年研究生入学考试数学二填空题第 1 题解析(三种方法)

题目

lim ⁡ x → 0 1 + x + 1 − x − 2 x 2 = \lim_{x \to 0}\frac{\sqrt{1+x}+\sqrt{1-x}-2}{x^{2}}= limx0x21+x +1x 2=

解法一

使用四则运算将原式化简,之后使用等价无穷小替换求出结果。

lim ⁡ x → 0 1 + x + 1 − x − 2 x 2 = lim ⁡ x → 0 ( 1 + x + 1 − x − 2 ) ( 1 + x + 1 − x + 2 ) x 2 ( 1 + x + 1 − x + 2 ) = lim ⁡ x → 0 ( 1 + x + 1 − x ) 2 − 4 x 2 ( 1 + x + 1 − x + 2 ) = lim ⁡ x → 0 1 + x + 1 − x + 2 1 + x 1 − x − 4 x 2 ( 1 + x + 1 − x + 2 ) = lim ⁡ x → 0 2 1 + x 1 − x − 2 x 2 ( 1 + x + 1 − x + 2 ) \lim_{x \to 0}\frac{\sqrt{1+x}+\sqrt{1-x}-2}{x^{2}} =\lim_{x\to0}\frac{(\sqrt{1+x}+\sqrt{1-x}-2)(\sqrt{1+x}+\sqrt{1-x}+2)}{x^{2}(\sqrt{1+x}+\sqrt{1-x}+2)} =\lim_{x \to 0}\frac{(\sqrt{1+x}+\sqrt{1-x})^{2}-4}{x^{2}(\sqrt{1+x}+\sqrt{1-x}+2)} =\lim_{x\to0}\frac{1+x+1-x+2\sqrt{1+x}\sqrt{1-x}-4}{x^{2}(\sqrt{1+x}+\sqrt{1-x}+2)} =\lim_{x\to0}\frac{2\sqrt{1+x}\sqrt{1-x}-2}{x^{2}(\sqrt{1+x}+\sqrt{1-x}+2)} limx0x21+x +1x 2=limx0x2(1+x +1x +2)(1+x +1x 2)(1+x +1x +2)=limx0x2(1+x +1x +2)(1+x +1x )24=limx0x2(1+x +1x +2)1+x+1x+21+x 1x 4=limx0x2(1+x +1x +2)21+x 1x 2

由于当 x → 0 x\rightarrow0 x0 时, ( 1 + x + 1 − x ) → 2 (\sqrt{1+x}+\sqrt{1-x})\rightarrow2 (1+x +1x )2, 因此有:
lim ⁡ x → 0 2 1 + x 1 − x − 2 4 x 2 = l i m x → 0 2 ( 1 − x 2 − 1 ) 4 x 2 = l i m x → 0 1 − x 2 − 1 2 x 2 \lim_{x\to0}\frac{2\sqrt{1+x}\sqrt{1-x}-2}{4x^{2}}=lim_{x\to0}\frac{2(\sqrt{1-x^{2}}-1)}{4x^{2}}=lim_{x\to0}\frac{\sqrt{1-x^{2}}-1}{2x^{2}} limx04x221+x 1x 2=limx04x22(1x2 1)=limx02x21x2 1

根据等价无穷小的如下替换原则:
( 1 + x ) μ − 1 ∽ μ x (1+x)^{\mu }-1\backsim\mu x (1+x)μ1μx
(更多可以参考高等数学中常用的等价无穷小)
可知:
1 − x 2 − 1 ∽ − 1 2 x 2 \sqrt{1-x^{2}}-1\backsim-\frac{1}{2}x^{2} 1x2 121x2, 因此有:

l i m x → 0 − 1 2 x 2 2 x 2 = − 1 4 lim_{x\to0}\frac{-\frac{1}{2}x^{2}}{2x^{2}}=-\frac{1}{4} limx02x221x2=41

解法二

观察题目中的式子可以发现,当 x → 0 x\rightarrow0 x0 时,满足以下条件:

(1) 1 + x + 1 − x − 2 → 0 \sqrt{1+x}+\sqrt{1-x}-2\rightarrow0 1+x +1x 20
(2) x 2 → 0 x^{2}\rightarrow0 x20 x 2 ≠ 0 x^{2}\neq0 x2̸=0
(3) y = 1 + x + 1 − x − 2 y=\sqrt{1+x}+\sqrt{1-x}-2 y=1+x +1x 2 y = x 2 y=x^{2} y=x2 0 0 0 附近两者都可导(在 0 0 0 附近,导数存在且连续,故可导)。

综上可知,此处可以使用 0 0 \frac{0}{0} 00 型的洛必达法则,即可以对分子和分母分别求导后再求极限来确定未定式的值。

求导过程如下:

原式 = l i m x → 0 1 2 1 + x − 1 2 1 − x 2 x = l i m x → 0 1 1 + x − 1 1 − x 4 x = l i m x → 0 1 − x − 1 + x 4 x ( 1 + x × 1 − x ) = l i m x → 0 1 − x − 1 + x 4 x 1 − x 2 =lim_{x \to 0}\frac{\frac{1}{2\sqrt{1+x}} - \frac{1}{2 \sqrt{1-x}}}{2x} = lim_{x \to 0}\frac{\frac{1}{\sqrt{1+x}}-\frac{1}{\sqrt{1-x}}}{4x} = lim_{x \to 0}\frac{\sqrt{1-x}-\sqrt{1+x}}{4x(\sqrt{1+x} \times \sqrt{1-x})} = lim_{x \to 0}\frac{\sqrt{1-x} - \sqrt{1+x}}{4x \sqrt{1-x^{2}}} =limx02x21+x 121x 1=limx04x1+x 11x 1=limx04x(1+x ×1x )1x 1+x =limx04x1x2 1x 1+x

因为,当 x → 0 x \rightarrow0 x0 时, 1 − x 2 → 1 \sqrt{1-x^{2}} \rightarrow 1 1x2 1, 所以有:

l i m x → 0 1 − x − 1 + x 4 x lim_{x \to 0}\frac{\sqrt{1-x}-\sqrt{1+x}}{4x} limx04x1x 1+x

上面的计算过程依次是“求导 / 化简 / 化简 / 化简 / 化简”。下面开始正式使用 0 0 \frac{0}{0} 00 型的洛必达法则进行计算:

→ 0 0 l i m x → 0 = − 1 2 1 − x − 1 2 1 + x 4 \overset{\frac{0}{0}}{\rightarrow}lim_{x \to 0} = -\frac{\frac{1}{2\sqrt{1-x}} - \frac{1}{2\sqrt{1+x}}}{4} 00limx0=421x 121+x 1

经过上面的求导,我们发现,当 x → 0 x \rightarrow 0 x0 时, − 1 2 1 − x → − 1 2 -\frac{1}{2\sqrt{1-x}} \rightarrow -\frac{1}{2} 21x 121, − 1 2 1 + x → 0 -\frac{1}{2\sqrt{1+x}} \rightarrow 0 21+x 10, 因此有:

原式 = − 1 2 − 1 2 4 = − ( 1 2 + 1 2 ) 4 = − 1 4 =\frac{-\frac{1}{2}-\frac{1}{2}}{4} = \frac{-(\frac{1}{2}+\frac{1}{2})}{4} = -\frac{1}{4} =42121=4(21+21)=41

在使用洛必达法则解决该问题的时候,进行了两次求导。其实,只要满足以下三个条件,则在使用洛必达法则的过程中可以进行任意次求导,但需要注意的是,每一次求导之前必须确保式子仍然满足如下三个条件,否则不能使用洛必达法则:

设: y = f ( x ) g ( x ) y=\frac{f(x)}{g(x)} y=g(x)f(x), 则需满足:

(01) x → x 0 x \rightarrow x_{0} xx0 x → ∞ x \rightarrow \infty x 时, f ( x ) f(x) f(x) g ( x ) g(x) g(x) 均趋于 0 0 0 或者趋于 ∞ \infty ;
(02) f ( x ) f(x) f(x) g ( x ) g(x) g(x) x 0 x_{0} x0 的去心邻域可导且 g ′ ( x ) ≠ 0 {g}'(x) \neq 0 g(x)̸=0;
(03) f ′ ( x ) g ′ ( x ) \frac{{f}'(x)}{{g}'(x)} g(x)f(x) 的极限存在或者为无穷大。

总结来说,洛必达法则的使用方法如下:

l i m x → x 0 f ( x ) g ( x ) = l i m x → x 0 f ′ ( x ) g ′ ( x ) lim_{x \to x_{0}} \frac{f(x)}{g(x)} = lim_{x \to x_{0}} \frac{{f}'(x)}{{g}'(x)} limxx0g(x)f(x)=limxx0g(x)f(x)

解法三

观察题目中的式子我们发现,可以使用麦克劳林展开式的 ( 1 + x ) m (1+x)^{m} (1+x)m 的形式和皮亚诺余项对该题目进行计算,公式如下:

( 1 + x ) m = 1 + m x + m ( m − 1 ) 2 ! x 2 + o ( x 2 ) (1+x)^{m} = 1+mx+\frac{m(m-1)}{2!}x^{2}+o(x^{2}) (1+x)m=1+mx+2!m(m1)x2+o(x2)

代入公式可得:

1 + x = ( 1 + x ) 1 2 = 1 + 1 2 x + 1 2 × ( 1 2 − 1 ) 2 ! x 2 + o ( x 2 ) = 1 + 1 2 x − 1 8 x 2 + o ( x 2 ) \sqrt{1+x}=(1+x)^{\frac{1}{2}}=1+\frac{1}{2}x+\frac{\frac{1}{2}\times(\frac{1}{2}-1)}{2!}x^{2}+o(x^{2})=1+\frac{1}{2}x-\frac{1}{8}x^{2}+o(x^{2}) 1+x =(1+x)21=1+21x+2!21×(211)x2+o(x2)=1+21x81x2+o(x2)

1 − x = ( 1 − x ) 1 2 = 1 − 1 2 x + 1 2 × ( 1 2 − 1 ) 2 ! x 2 + o ( x 2 ) = 1 − 1 2 x − 1 8 x 2 + o ( x 2 ) \sqrt{1-x}=(1-x)^{\frac{1}{2}}=1-\frac{1}{2}x+\frac{\frac{1}{2}\times(\frac{1}{2}-1)}{2!}x^{2}+o(x^{2})=1-\frac{1}{2}x-\frac{1}{8}x^{2}+o(x^{2}) 1x =(1x)21=121x+2!21×(211)x2+o(x2)=121x81x2+o(x2)

于是有:

原式 = l i m x → 0 1 + 1 2 x − 1 8 x 2 + 1 − 1 2 x − 1 8 x 2 + o ( x 2 ) − 2 x 2 = l i m x → 0 − 1 4 x 2 + o ( x 2 ) x 2 = l i m x → 0 − 1 4 + 0 ( x 2 ) x 2 = − 1 4 =lim_{x \to 0}\frac{1+\frac{1}{2}x-\frac{1}{8}x^{2}+1-\frac{1}{2}x-\frac{1}{8}x^{2}+o(x^{2})-2}{x^{2}}=lim_{x \to 0}\frac{-\frac{1}{4}x^{2}+o(x^{2})}{x^{2}}=lim_{x\to0}-\frac{1}{4}+\frac{0(x^{2})}{x^{2}}=-\frac{1}{4} =limx0x21+21x81x2+121x81x2+o(x2)2=limx0x241x2+o(x2)=limx041+x20(x2)=41

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