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  • 高数——求极限的方法

    求极限的方法:

    1.普通求极限

    我们知道求极限的考点往往都是考分子分母型的,因为这样可以有效利用等价/高阶/低阶无穷小的理论,即使求极限是加减乘的类型,我们也尽可能要转化为除法的类型(这就是七种未定式),然而,知道这些还不够,因为考研是一项选拔性考试,不是水平考核性质的考试,学会将应对水平考试的态度和习惯转化为应对选拔性考试十分重要,在此基础上,要清楚的认识到,高数教科书上的题只是最基本的,要应付考研,需要有更深入的思维。在求极限方面也是一样(所以最基本的洛必达法则一般用不上)。

    例题一、

    [公式]

    面对这道题,用等价/高阶/低阶无穷小显得不能用(因为是趋近于无穷),但是,我们就要比谁更大,即寻找最大项(张帆老师把这个叫“大哥理论”),然后使用无穷大替换(即用最大项替换全部),在 [公式] 的时候,分子分母的最大项是幂次最高项,在 [公式] 的时候分子分母的最大项是幂次最低项,所以对这道题来说,我们应该寻找幂次最高项,对分子来说, [公式] 和 [公式] 是同一幂次的,所以,最大幂次是1,所以我们就把边上那个1和根式里面的 [公式] 忽略掉就行了,对于分母来说,最大幂次也是1,至于 [公式] 的幂次,因为 [公式] 始终是小于等于一的,所以可以把他的幂次当作是常数,也就是0,可以忽略掉,这样一来公式就变成了

    [公式]

    由于 [公式] 是趋向于负无穷的,所以原式等价于 [公式] 也就是1。

    例题二、

    [公式]

    基本操作, [公式] 里的东西减去个1然后等价无穷小替换.[公式]

    变成了 [公式]

    我们知道,等价/高阶/低阶无穷小替换的本质其实是转化为幂函数的形态,所以为了在0处能够把sinx和cosx转化为幂函数,在加减法的环境下应用等价无穷小,就要用到麦克劳林公式(平时老师说不能在加减法情况下应用等价无穷小是因为精度不够,应用了麦克劳林公式就能确保精度,那么到底要展开到哪几项呢?因为分子分母的最大项精度要保持一致才能互相消去,比如这道题就要分母上下可以同时展开到[公式] 的一次幂就能互相消去。),其中 [公式] 的展开是 [公式] 而 [公式] 的展开是 [公式] ,所以 [公式] 保留最大项目 [公式] ,[公式] 保留1,而分子中的 [公式] 也可以展开为 [公式] (这里用到了一个展开公式 ([公式] 当然你直接用麦克劳林也行,只不过用公式会更快一点),由于分母最大项是1次幂,所以保留 [公式] 即可这样原式就变成了

    [公式]

    例题三、

    [公式]

    这道题需要用到一个小技巧,即 [公式] ,则分母变为 [公式] , [公式] 在 [公式] 的时候接近于e,由于非零因式直接带入原则所以可以去掉,剩下来的用以上两个例题的技巧可以轻松解决(事实上,类似 [公式] 这样的式子有一个特点,那就是 [公式] 型,这一类型的极限一般是提取一个公共因子使得成为 [公式] 类型)。

    例题四、

    [公式]

    由于是 [公式] 所以可以用泰勒公式展开得到:

    [公式]

    例题五、

    [公式]

    这里要注意 [公式] 的时候分为 [公式]和 [公式] 两类, [公式] 的时候
    ,先等价无穷小替换,得到 [公式]以及 [公式] 原式变成

    [公式]

    而 [公式] 的时候原式变成了 [公式] 这个时候要求趋向于无穷的时候,虽然幂函数不适用于这种情况,但幂函数找最大项的本质是无穷大替换,所以我们可以用到速度的阶的理论,在x趋向于无穷或者0的时候,指数函数>>幂函数>>对数函数,这个式子里ln里的1完全可以被替换掉,因此原式就变成了

    [公式]

    同理,以下极限也可以应用这个理论,用一个因式替换全部:

    [公式]

    [公式]

    [公式]

    例题六、

    遇到有 [公式] 的式子,可以先想办法合并

    [公式]

    例题七、

    [公式]

    第一步先通分化为乘除法得到 [公式]

    此时,分母无穷小替换得 [公式]

    此时,我们可以想到,分子的最大项为次数最小的项,通过对分子进行麦克劳林展开可以发现, [公式] 次数最小的项不是 [公式] 就是 [公式] ,当然由于 [公式]被消掉了,因此展开得到分子: [公式]

    注意,这里有些同学可能觉得分子化到 [公式] 就够了,没必要化到 [公式] 项,事实上,因为分母的最小项是 [公式] ,所以分子务必也要化到 [公式] 来确保精度。

    例题八、

    [公式]

    遇到 [公式] 的时候要首先想到平方差公式来化简,如在这道题使用平方差公式化简后变成 [公式]

    例题九、化幂指函数为对数

    这一类的题比较特殊,比如下面这道题会有同学将两个重要极限之一 [公式] 带入求得答案1,事实上,这个答案是错误的,正确的答案是1

    [公式]

    设函数 [公式] 在 [公式] 的某领域内有定义,且 [公式] ,求 [公式]

    用同样方法化为对数做。

    例题十、

    某些函数等价无穷小也比较难替换,可以用拉格朗日中值定理来等价无穷小替换

    数列极限: [公式]

    [公式]

    从而 [公式]

    例题十、综合应用

    这一类较为繁琐,可能同时用到变限积分、泰勒、等价无穷小、洛必达,一般做题的顺序是先等价无穷小、再泰勒、最后用洛必达,中间化简的过程中遇到极限为常数的因子直接带常数。

    [公式]

    首先令 [公式] 化简变限积分得到 [公式] 提出 [公式] 得到

    [公式]

    使用等价无穷小替换 [公式] 并使用常数替换极限为常数的因子 [公式] 得到

    [公式]

    使用泰勒公式得到

    [公式]

    最后使用洛必达法则

    [公式]

     

    下面附上一些常用泰勒展开和等价无穷小,考试的时候务必要记住:

    [公式]

    其中 ①式减②式可以得到 [公式]

    1减③式可以得到 [公式]

    ④式减1可以得到 [公式]

    ⑤式减1,可以得到 [公式]

    [公式]

    还有一些要记住 [公式]

    2.变限积分求极限

    一句话,变限积分求极限,一般用洛必达法则,既然应用了洛必达法则,那么变限积分的求导一定又是过不去的一道坎。这个我打算放到求导那章整理。

    此外,某些变限积分的极限化简可以用泰勒公式来简化.

    例1 [公式]

    这道题常规做法是用洛必达化为 [公式]

    实际上用泰勒展开也可以做

    [公式]

    例2 [公式]

    原式 [公式] [公式]

    例3 [公式]

    这道题分母为1,不能用洛必达,又是趋于无穷不能用泰勒,只能用夹逼准则了。

    当 [公式] 时 [公式] 趋于0且单调递减

    故当 [公式] 时有 [公式]

    由于 [公式] 可以被当作常数

    [公式]

    [公式]

    [公式]

    由于上式左右两端在 [公式] 时候的极限都为0

    故由夹逼准则

    [公式]

    3.数列求极限

    数列求极限的方法主要用到了夹逼准则、单调有界准则、化为定积分求解

    例题1:

    证明:(1) [公式]

    (2)设 [公式] ,则数列极限存在

    解:

    (1)遇到有根式的分母,首先想到的是分子分母有理化,不等式左右两侧分母无法进一步有理化,只能分式中间开始有理化,同时乘以 [公式] ,使用平方差公式得到:

    [公式]

    变形得到:

    [公式]

    上式很容易看出成立。

    (2)数列极限,要用到单调有界准则,至于怎么用,第一问给了提示。首先判断数列的单调性,让 [公式]

    故数列单调递减,这样只要证明数列大于某个数就行了,由第一问的结果可以将数列放缩为:

    [公式]

    [公式] 有界,则 [公式] 有极限。

    例题2:

    设数列 [公式] 满足: [公式] ,证明 [公式] 收敛,并求 [公式]

    解:可以用拉格朗日证明数列的单调性

    [公式]

     

    由于 [公式] 单调,故 [公式] 单调递减

    由于 [公式] 的具体公式没有给出,而仅仅只给出了 [公式] ,所以采用数学归纳法。

    当 [公式] 时, [公式]

    假设 [公式] 时 [公式]

    当 [公式] 时 [公式]

    则 [公式]

    故对所有 [公式] 都有 [公式]

    由于 [公式] 单调有界,故有极限。

    这个时候,不妨设极限为一个常数

    设 [公式]

    则 [公式]

    故由 [公式]

    得到 [公式]

    求得 [公式] ,故极限为0。

    例题3:

    求极限 [公式]

    这个要用到夹逼准则,而这种无穷数列恰好又能化为定积分。

    [公式]

    变形

    [公式]

    转化为积分 [公式]

    从而得到极限为 [公式] 即 [公式]

    例题4:

    [公式]

    这题一开始想到夹逼准则,但是实际上不太行,正确思路是化为定积分

    原式= [公式]

    例题5:

    当 [公式] 时, [公式]

    求极限

    [公式]

    我们知道,取对数可以解决的问题有两种,一种是 [公式] 的时候可以取对数,还有一种则是本例,把乘除化为加减

    [公式]

    由于 [公式]

    [公式]

    故由夹逼准则得原式= [公式]

    方法一:等价无穷小的转化    在乘除中使用

    方法二:极限的四则运算法则

    方法三:洛必达法则

    方法四:泰勒公式

    方法五:两多项式相除

    6:无穷小与有界函数的处理方法

    7:数列极限中等比等差数列公式的应用

    8:数列极限中各项的拆分相加

    9:利用Xn 与Xn+1极限相同求极限

    10:夹逼准则

    11:两个重要极限的应用

    12:当趋于无穷大时,不同函数趋于无穷的速度是不一样的。

    13:换元法

    14:利用定积分求极限

    15:重要的高阶无穷小

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