AM@由极限的两个存在准则(定理)推导的两个重要极限

文章目录

    • abstract
    • 第一重要极限
      • sin ⁡ x < x < tan ⁡ x \sin{x}sinx<x<tanx
      • cos ⁡ x < sin ⁡ x x < 1 \cos{x}<\frac{\sin{x}}{x}<1 cosx<xsinx<1
      • cos ⁡ x → 1 ( x → 0 ) \cos{x}\to{1}(x\to{0}) cosx1(x0)
    • 第二重要极限
      • 单调性
      • 有界性
      • 极限存在
      • 推广到函数极限
      • 形式推广
    • 1 ∞ 1^\infin 1型幂指函数的极限
      • 分离常数变形
      • 速算结论
        • 证明
        • 传统逐步演算

abstract

  • 由极限的两个存在准则(定理)推导的两个重要极限

第一重要极限

  • 将任意角 x x x放在单位圆 O O O上讨论 lim ⁡ x → 0 sin ⁡ x x \lim\limits_{x\to 0}{\frac{\sin{x}}{x}} x0limxsinx

    • 对于 y = sin ⁡ x x y=\frac{\sin{x}}{x} y=xsinx对于一切 x ≠ 0 x\neq{0} x=0都有定义
    • 设单位圆圆心 O O O和任意角 x x x的始边重合,始边和终边分别交单位圆于 A , B A,B A,B
  • 因为任意角总是可以通过诱导公式转换为锐角计算其三角函数值,不妨设角 ∠ A O B = x ( x ∈ ( 0 , π 2 ) ) \angle{AOB}=x(x\in(0,\frac{\pi}{2})) AOB=x(x(0,2π))

  • 构造正弦线和正切线以及弧度线:

    • 正弦线:过点 B B B B C ⊥ O A BC\perp{OA} BCOA交于 O A OA OA C C C,则 C B CB CB为正弦线: sin ⁡ x = C B \sin{x}=CB sinx=CB

    • 正切线:点 A A A处的切线和 O B OB OB延长线交于 D D D,则AD就是正切线: tan ⁡ x = A D \tan{x}=AD tanx=AD

    • 由角弧度和半径的关系, x = A B ⌢ x=\overset{\huge\frown}{AB} x=AB

sin ⁡ x < x < tan ⁡ x \sin{x}sinx<x<tanx

  • G 1 , G 2 , G 3 G_1,G_2,G_3 G1,G2,G3分别表示:三角形 A O B AOB AOB,扇形 A O B AOB AOB,三角形 A O D AOD AOD,并用 S ( G i ) , i = 1 , 2 , 3 S(G_i),i=1,2,3 S(Gi),i=1,2,3表示图形 G i G_i Gi的面积
  • S ( G 1 ) = 1 2 sin ⁡ x S(G_1)=\frac{1}{2}\sin{x} S(G1)=21sinx; S ( G 2 ) = 1 2 x S(G_2)=\frac{1}{2}x S(G2)=21x; S ( G 3 ) = 1 2 tan ⁡ x S(G_3)=\frac{1}{2}\tan{x} S(G3)=21tanx
  • 显然 S ( G 1 ) < S ( G 2 ) < S ( G 3 ) S(G_1)S(G1)<S(G2)<S(G3),从而 1 2 sin ⁡ x < 1 2 x < 1 2 tan ⁡ x \frac{1}{2}\sin{x}<\frac{1}{2}x<\frac{1}{2}\tan{x} 21sinx<21x<21tanx
  • sin ⁡ x < x < tan ⁡ x \sin{x}sinx<x<tanx(0)

cos ⁡ x < sin ⁡ x x < 1 \cos{x}<\frac{\sin{x}}{x}<1 cosx<xsinx<1

  • 不等号各边同除以 sin ⁡ x \sin{x} sinx,有 1 < x sin ⁡ x < 1 cos ⁡ x 1<\frac{x}{\sin{x}}<\frac{1}{\cos{x}} 1<sinxx<cosx1,从而 cos ⁡ x < sin ⁡ x x < 1 \cos{x}<\frac{\sin{x}}{x}<1 cosx<xsinx<1, x ∈ ( 0 , π 2 ) x\in(0,\frac{\pi}{2}) x(0,2π)(1)
  • cos ⁡ x , sin ⁡ x x \cos{x},\frac{\sin{x}}{x} cosx,xsinx都是偶函数,从而 x ∈ ( − π 2 , 0 ) x\in(-\frac{\pi}{2},0) x(2π,0)内, − x ∈ ( 0 , π 2 ) -x\in(0,\frac{\pi}{2}) x(0,2π);不等式(1)仍然成立
  • 所以 cos ⁡ x < sin ⁡ x x < 1 \cos{x}<\frac{\sin{x}}{x}<1 cosx<xsinx<1, x ∈ ( − π 2 , 0 ) ∪ ( 0 , π 2 ) x\in(-\frac{\pi}{2},0)\cup(0,\frac{\pi}{2}) x(2π,0)(0,2π) 0 < ∣ x ∣ < π 2 0<|x|<\frac{\pi}{2} 0<x<2π

cos ⁡ x → 1 ( x → 0 ) \cos{x}\to{1}(x\to{0}) cosx1(x0)

  • 0 < ∣ x ∣ < π 2 0<|x|<\frac{\pi}{2} 0<x<2π时, cos ⁡ x ∈ ( 0 , 1 ) \cos{x}\in(0,1) cosx(0,1),
  • 欲证 lim ⁡ x → 0 cos ⁡ x = 1 \lim\limits_{x\to0}\cos{x}=1 x0limcosx=1,可构造 y = cos ⁡ x − 1 y=\cos{x}-1 y=cosx1,而证 lim ⁡ x → 0 ( cos ⁡ x − 1 ) = 0 \lim\limits_{x\to0}(\cos{x}-1)=0 x0lim(cosx1)=0,或 lim ⁡ x → 0 ( 1 − cos ⁡ x ) = 0 \lim\limits_{x\to0}(1-\cos{x})=0 x0lim(1cosx)=0
  • 所以 1 − cos ⁡ x ∈ ( 0 , 1 ) 1-\cos{x}\in{(0,1)} 1cosx(0,1)
  • 0 < ∣ 1 − cos ⁡ x ∣ = 1 − cos ⁡ x 0<|1-\cos{x}|=1-\cos{x} 0<∣1cosx=1cosx= 2 sin ⁡ 2 x 2 2\sin^{2}{\frac{x}{2}} 2sin22x< 2 ( x 2 ) 2 2(\frac{x}{2})^2 2(2x)2= x 2 2 \frac{x^2}{2} 2x2
  • 0 < 1 − cos ⁡ x < x 2 2 0<1-\cos{x}<\frac{x^2}{2} 0<1cosx<2x2
  • 显然 x 2 2 → 0 ( x → 0 ) \frac{x^2}{2}\to{0}(x\to{0}) 2x20(x0),有夹逼准则, lim ⁡ x → 0 ( 1 − cos ⁡ x ) = 0 \lim\limits_{x\to0}(1-\cos{x})=0 x0lim(1cosx)=0,所以 lim ⁡ x → 0 cos ⁡ x = 1 \lim\limits_{x\to0}\cos{x}=1 x0limcosx=1
  • 又因为 cos ⁡ x < sin ⁡ x x < 1 \cos{x}<\frac{\sin{x}}{x}<1 cosx<xsinx<1, lim ⁡ x → 0 cos ⁡ x = lim ⁡ x → 0 1 = 1 \lim\limits_{x\to0}\cos{x}=\lim\limits_{x\to0}1=1 x0limcosx=x0lim1=1,所以由夹逼准则, lim ⁡ x → 0 sin ⁡ x x = 1 \lim\limits_{x\to0}\frac{\sin{x}}{x}=1 x0limxsinx=1

  • lim ⁡ x → 0 arcsin ⁡ x x = 1 \lim\limits_{x\to0}\frac{\arcsin{x}}{x}=1 x0limxarcsinx=1
    • arcsin ⁡ x = t \arcsin{x}=t arcsinx=t,从而 x = sin ⁡ t x=\sin{t} x=sint
    • lim ⁡ x → 0 arcsin ⁡ x x \lim\limits_{x\to0}\frac{\arcsin{x}}{{x}} x0limxarcsinx= lim ⁡ t → 0 t sin ⁡ t = 1 \lim\limits_{t\to0}\frac{t}{\sin{t}}=1 t0limsintt=1

第二重要极限

  • x n = ( 1 + 1 n ) n x_n=(1+\frac{1}{n})^{n} xn=(1+n1)n,则 {   x n   } \set{x_n} {xn}单调有界
  • ( n i ) \binom{n}{i} (in)= n ! ( n − i ) ! i ! \frac{n!}{(n-i)!i!} (ni)!i!n!= A n i / i ! A_{n}^{i}/i! Ani/i!

单调性

  • 由二项式定理:

    • x n = ∑ i = 0 n ( n i ) 1 n i x_n=\sum_{i=0}^{n}\binom{n}{i}\frac{1}{n^{i}} xn=i=0n(in)ni1= x n = ∑ i = 0 n A n i i ! 1 n i x_n=\sum_{i=0}^{n}\frac{A_n^{i}}{i!}\frac{1}{n^{i}} xn=i=0ni!Anini1

      • = 1 + n 1 ⋅ 1 n 1+\frac{n}{1}\cdot{\frac{1}{n}} 1+1nn1+ n ( n − 1 ) 2 ! 1 n 2 \frac{n(n-1)}{2!}\frac{1}{n^2} 2!n(n1)n21+ n ( n − 1 ) ( n − 2 ) 3 ! 1 n 3 \frac{n(n-1)(n-2)}{3!}\frac{1}{n^3} 3!n(n1)(n2)n31+ ⋯ \cdots + n ( n − 1 ) ⋯ ( n − ( n − 1 ) ) n ! 1 n n \frac{n(n-1)\cdots{(n-(n-1))}}{n!}\frac{1}{n^n} n!n(n1)(n(n1))nn1
      • = 1 + 1 1+1 1+1+ 1 2 ! ( 1 − 1 n ) \frac{1}{2!}(1-\frac{1}{n}) 2!1(1n1)+ 1 3 ! ( 1 − 1 n ) ( 1 − 2 n ) \frac{1}{3!}(1-\frac{1}{n})(1-\frac{2}{n}) 3!1(1n1)(1n2)+ ⋯ \cdots + 1 n ! ( 1 − 1 n ) ( 1 − 2 n ) ⋯ ( 1 − n − 1 n ) \frac{1}{n!}(1-\frac{1}{n})(1-\frac{2}{n})\cdots(1-\frac{n-1}{n}) n!1(1n1)(1n2)(1nn1)
    • x n + 1 x_{n+1} xn+1= 1 + 1 1+1 1+1+ 1 2 ! ( 1 − 1 n + 1 ) \frac{1}{2!}(1-\frac{1}{n+1}) 2!1(1n+11)+ 1 3 ! ( 1 − 1 n + 1 ) ( 1 − 2 n + 1 ) \frac{1}{3!}(1-\frac{1}{n+1})(1-\frac{2}{n+1}) 3!1(1n+11)(1n+12)+ ⋯ \cdots + 1 ( n + 1 ) ! ( 1 − 1 n + 1 ) ( 1 − 2 n + 1 ) ⋯ ( 1 − n − 1 n + 1 ) \frac{1}{(n+1)!}(1-\frac{1}{n+1})(1-\frac{2}{n+1})\cdots(1-\frac{n-1}{n+1}) (n+1)!1(1n+11)(1n+12)(1n+1n1)

    • x n , x n + 1 x_n,x_{n+1} xn,xn+1的前2项相等,后续的第 i ( i > 2 ) i(i>2) i(i>2) x n + 1 x_{n+1} xn+1的总是要大于 x n x_{n} xn的,并且 x n + 1 x_{n+1} xn+1的项数比 x n x_{n} xn的项要多一项大于0的项,所以 x n + 1 > x n x_{n+1}>x_n xn+1>xn;

    • 说明 {   x n   } \set{x_n} {xn}数列是单调递增的

有界性

  • 通过放缩 x n x_n xn的展开式中的项确定某个上限
    • x n x_n xn展开式中 ( 1 − i n ) < 1 (1-\frac{i}{n})<1 (1ni)<1,所以 x n < T = 1 + 1 + 1 2 ! + ⋯ + 1 n ! x_nxn<T=1+1+2!1++n!1
    • n ! ⩾ 2 n − 1 ( n ∈ N ) n!\geqslant 2^{n-1}(n\in\mathbb{N}) n!2n1(nN),即 1 n ! < 1 2 n \frac{1}{n!}<\frac{1}{2^{n}} n!1<2n1,( n ! > 2 n − 1 n!>2^{n-1} n!>2n1, n ∈ N , n ⩾ 3 n\in\mathbb{N},n\geqslant{3} nN,n3)
    • T < W = 1 + 1 + 1 2 + 1 2 2 + ⋯ + 1 2 n − 1 TT<W=1+1+21+221++2n11= 1 + 1 ( 1 − 1 2 n ) 1 − 1 2 1+\frac{1(1-\frac{1}{2^{n}})}{1-\frac{1}{2}} 1+1211(12n1)= 3 − 2 2 n 3-\frac{2}{2^{n}} 32n2= 3 − 2 1 − n < 3 3-2^{1-n}<3 321n<3

极限存在

  • 根据单调有界极限存在定理(准则), {   x n   } \set{x_n} {xn}极限存在 ( n → ∞ ) (n\to{\infin}) (n),这个值是个实数,不容易用十进制数表示
  • 通常将这个极限记为 e ( e ∈ ( 2 , 3 ) ) e(e\in(2,3)) e(e(2,3)),即 lim ⁡ n → ∞ x n = e \lim\limits_{n\to{\infin}}x_{n}=e nlimxn=e,即 lim ⁡ n → ∞ ( 1 + 1 n ) n = e \lim\limits_{n\to{\infin}}(1+\frac{1}{n})^{n}=e nlim(1+n1)n=e

推广到函数极限

  • lim ⁡ x → ∞ ( 1 + 1 x ) x = e \lim\limits_{x\to{\infin}}(1+\frac{1}{x})^{x}=e xlim(1+x1)x=e

形式推广

  • 上述是 x → ∞ x\to{\infin} x的过程的极限,利用变量代换, t = 1 x t=\frac{1}{x} t=x1,即 x = 1 t x=\frac{1}{t} x=t1, x = 1 t → ∞ x=\frac{1}{t}\to{\infin} x=t1过程对应 t → 0 t\to{0} t0的过程

  • lim ⁡ x → ∞ ( 1 + 1 x ) x \lim\limits_{x\to{\infin}}(1+\frac{1}{x})^{x} xlim(1+x1)x= lim ⁡ t → 0 ( 1 + t ) 1 t = e \lim\limits_{t\to{0}}(1+t)^{\frac{1}{t}}=e t0lim(1+t)t1=e

  • 更一般的,在自变量的某个变化过程中 ( x → ∗ ) (x\to{*}) (x),若 α ( x ) \alpha(x) α(x)是无穷小量,即 α ( x ) → 0 ( x → ∗ ) \alpha(x)\to{0}(x\to{*}) α(x)0(x),则 lim ⁡ x → ∗ ( 1 + α ( x ) ) 1 α ( x ) = e \lim\limits_{x\to{*}}(1+\alpha(x))^{\frac{1}{\alpha(x)}}=e xlim(1+α(x))α(x)1=e,简记为 lim ⁡ ( 1 + α ( x ) ) 1 α ( x ) = e \lim(1+\alpha(x))^{\frac{1}{\alpha(x)}}=e lim(1+α(x))α(x)1=e

1 ∞ 1^\infin 1型幂指函数的极限

分离常数变形

  • 有时,需要使用分离常数的技巧将函数的形式转换为 f ( x ) = ( 1 + α ( x ) ) β ( x ) {f(x)=(1+\alpha (x))^{\beta(x)}} f(x)=(1+α(x))β(x)的形式,
    • 例如: ( x + 1 x − 3 ) x = ( x − 3 + 3 + 1 x − 3 ) x = ( 1 + 4 x − 3 ) x (\frac{x+1}{x-3})^x=(\frac{x-3+3+1}{x-3})^x=(1+\frac{4}{x-3})^{x} (x3x+1)x=(x3x3+3+1)x=(1+x34)x

速算结论

  • 如果判断出 f ( x ) = ( 1 + α ( x ) ) β ( x ) {f(x)=(1+\alpha (x))^{\beta(x)}} f(x)=(1+α(x))β(x)的某个过程的极限属于 1 ∞ 1^\infin 1型的情况下求极限 S = lim ⁡ f ( x ) S=\lim f(x) S=limf(x),则可以按如下步骤求解

    1. 先计算出 A = lim ⁡ ( α ( x ) β ( x ) ) A=\lim(\alpha(x)\beta(x)) A=lim(α(x)β(x))

    2. 那么: S = e A S=e^A S=eA,也即是说,结果是 e e e的幂的形式

证明
  • α ( x ) , β ( x ) \alpha(x),\beta(x) α(x),β(x)分别极限过程 x → ∗ x\to{*} x的无穷小量和无穷大量,即 lim ⁡ α ( x ) = 0 \lim{\alpha(x)}=0 limα(x)=0, lim ⁡ β ( x ) = ∞ \lim\beta(x)=\infin limβ(x)=
  • γ ( x ) = α ( x ) β ( x ) \gamma(x)=\alpha(x)\beta(x) γ(x)=α(x)β(x); β ( x ) = 1 α ( x ) α ( x ) β ( x ) \beta(x)=\frac{1}{\alpha(x)}\alpha(x)\beta(x) β(x)=α(x)1α(x)β(x)= 1 α ( x ) γ ( x ) \frac{1}{\alpha(x)}\gamma(x) α(x)1γ(x)
  • S = lim ⁡ ( 1 + α ( x ) ) β ( x ) S=\lim(1+\alpha(x))^{\beta(x)} S=lim(1+α(x))β(x)= lim ⁡ ( 1 + α ( x ) ) 1 α ( x ) α ( x ) β ( x ) \lim(1+\alpha(x))^{\frac{1}{\alpha(x)}\alpha(x)\beta(x)} lim(1+α(x))α(x)1α(x)β(x)= lim ⁡ ( ( ( 1 + α ( x ) ) 1 α ( x ) ) γ ( x ) \lim{(((1+\alpha(x))^\frac{1}{\alpha(x)}})^{\gamma(x)} lim(((1+α(x))α(x)1)γ(x)= [ lim ⁡ ( ( ( 1 + α ( x ) ) 1 α ( x ) ) ] γ ( x ) [\lim{(((1+\alpha(x))^\frac{1}{\alpha(x)}})]^{\gamma(x)} [lim(((1+α(x))α(x)1)]γ(x)= e γ ( x ) e^{\gamma(x)} eγ(x)
  • A = lim ⁡ γ ( x ) A=\lim{\gamma(x)} A=limγ(x),则 S = e A S=e^{A} S=eA

  • 以下3个的 1 ∞ 1^\infin 1型极限都可以用 e A e^A eA模型法来计算,先确定 α ( x ) 和 β ( x ) \alpha{(x)}和\beta{(x)} α(x)β(x)
    • S 1 = lim ⁡ x → ∞ ( 1 − 1 x ) x S_1=\lim\limits_{x\to \infin}(1-\frac{1}{x})^x S1=xlim(1x1)x

    • S 2 = lim ⁡ x → ∞ ( 1 + a x ) b x S_2=\lim\limits_{x\to \infin}{(1+\frac{a}{x})^{bx}} S2=xlim(1+xa)bx

    • S 3 = lim ⁡ x → ∞ ( 1 + a x ) b x + c S_3=\lim\limits_{x\to \infin}(1+\frac{a}{x})^{bx+c} S3=xlim(1+xa)bx+c

  • 分别计算 A 1 , A 2 , A 3 A_1,A_2,A_3 A1,A2,A3
    • A 1 = lim ⁡ x → ∞ − 1 x x = − 1 A_1=\lim\limits_{x\to \infin} \frac{-1}{x}x=-1 A1=xlimx1x=1

    • A 2 = lim ⁡ x → ∞ a x b x = a b A_2=\lim\limits_{x\to \infin} \frac{a}{x}bx=ab A2=xlimxabx=ab

    • A 3 = lim ⁡ x → ∞ a x ( b x + c ) = a b A_3=\lim\limits_{x\to \infin} \frac{a}{x}(bx+c)=ab A3=xlimxa(bx+c)=ab

  • S 1 = e − 1 S_1=e^{-1} S1=e1, S 2 = e a b S_2=e^{ab} S2=eab, S 3 = e a b S_3=e^{ab} S3=eab
传统逐步演算
  • lim ⁡ x → ∞ ( 1 − 1 x ) x \lim\limits_{x\to \infin}{(1-\frac{1}{x})}^x xlim(1x1)x= lim ⁡ x → ∞ ( 1 − 1 x ) − ( − x ) \lim\limits_{x\to \infin}{(1-\frac{1}{x})}^{-(-x)} xlim(1x1)(x)= lim ⁡ x → ∞ 1 ( 1 − 1 x ) − x \lim\limits_{x\to \infin}\frac{1}{{{(1-\frac{1}{x})}^{-x}}} xlim(1x1)x1= lim ⁡ x → ∞ 1 lim ⁡ x → ∞ ( 1 − 1 x ) − x \frac{\lim\limits_{x\to \infin}1}{\lim\limits_{x\to \infin}(1-\frac{1}{x})^{-x}} xlim(1x1)xxlim1= 1 e \frac{1}{e} e1

  • lim ⁡ x → ∞ ( 1 + a x ) b x \lim\limits_{x\to \infin}{(1+\frac{a}{x})^{bx}} xlim(1+xa)bx= lim ⁡ x → ∞ ( 1 + a x ) x a a b \lim\limits_{x\to \infin}{(1+\frac{a}{x})}^{\frac{x}{a}ab} xlim(1+xa)axab= lim ⁡ x → ∞ \lim\limits_{x\to \infin} xlim ( ( 1 + a x ) x a ) a b \left ({(1+\frac{a}{x})}^{\frac{x}{a}}\right)^{ab} ((1+xa)ax)ab= e a b e^{ab} eab

  • lim ⁡ x → ∞ ( 1 + a x ) b x + c \lim\limits_{x\to \infin}{(1+\frac{a}{x})}^{bx+c} xlim(1+xa)bx+c= lim ⁡ x → ∞ ( 1 + a x ) b x \lim\limits_{x\to \infin}{(1+\frac{a}{x})}^{bx} xlim(1+xa)bx ⋅ \cdot lim ⁡ x → ∞ ( 1 + a x ) c \lim\limits_{x\to \infin}{(1+\frac{a}{x})}^{c} xlim(1+xa)c= e a b ⋅ 1 c e^{ab}\cdot 1^c eab1c= e a b ⋅ 1 e^{ab}\cdot 1 eab1= e a b e^{ab} eab

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