4.3 习题课讲解

4.3.1 无穷大量与无穷小量

例 4.3.1 O和o的运算性质。(1)O(f)+O(f)=O(f),O(f)O(g)=O(fg),o(f)+o(f)=o(f),O(f)o(g)=o(fg),o(f)=O(f). 这里的等式的含义是:等号左边的运算结果是等号右边集合中的一个对象。

解 提示:设x→a,u∈O(f)、v∈o(f),利用定义

◻

例 4.3.2 证明:若(2)f(x)+o(f(x))=Bg(x)+o(g(x)),x→a 则(3)f(x)=Bg(x)+o(g(x)),x→a 特别地,若B=1,则“f与g等价”当且仅当“g与f等价”。

解 提示:(1)(4)|f(x)|=|Bg(x)+o(g(x))−o(f(x))|≤|B||g(x)|+12|g(x)|+12|f(x)|⟹|f(x)|≤(2|B|+1)|g(x)|,x→a|f(x)−Bg(x)|=|o(g(x))−o(f(x))|≤ε|f(x)|+ε|g(x)|≤2ε(|B|+1)⏟ε′|g(x)|⟹|f(x)−Bg(x)|≤ε′|g(x)|,x→a (2) 若f(x)=g(x)+o(g(x)),则f=f+0=f+o(f),由(1)知g(x)=f(x)+o(f(x))。 ◻

例 4.3.3 反函数的渐近表达式。设f有连续的反函数,(5)f(x)=Ax+Bxk+o(xk),x→0,A≠0,k>1 求f的反函数f−1在自变量y→0时的渐近表达式。

解 提示:确定主项。由例4.3.2(1)可知(6)y=Ax+Bxk+o(xk)=Ax+o(x)⟹x=yA+o(y) 确定第二项。设x=yA+f(y),其中f(y)=o(y),则(7)y=A(yA+f(y))+B(yA+f(y))k+o((yA+f(y))k)0=Af(y)+BAkyk(1+o(1))+o(yk)=Af(y)+BAkyk+o(yk)f(y)=−BAk+1yk+o(yk) 因此(8)x=yA−BAk+1yk+o(yk),y→0 ◻

例 4.3.4 广义二项式定理。对正有理数mn,求x→0时,(1+x)mn的渐近展开。

解 Newton当年得到的结果为:(9)(1+x)mn=∑i=0k(mni)xi+o(xk),x→0 其中广义二项式系数的定义为:

我们证明k≤2的情况。k=0显然成立,设(1+x)mn=1+f(x),其中f(x)=o(1),则(10)(1+x)m=(1+f(x))n1+mx+o(x)=1+nf(x)+o(f(x))⟹f(x)=mxn+o(x) 再设(1+x)mn=1+mnx+g(x),其中g(x)=o(x),则(11)(1+x)m=(1+mnx+g(x))n1+mx+m(m−1)2x2+o(x2)=1+n(mnx+g(x))+n(n−1)2(mnx+g(x))2+o(x2)=1+mx+ng(x)+m2(n−1)2nx2⟹g(x)=mn(mn−1)2x2+o(x2) 因此(12)(1+x)mn=1+mnx+mn(mn−1)2x2+o(x2),x→0 ◻

例 4.3.5 幂函数的渐近展开。设α∈R,求x→0时,xα的渐近展开。提示:(13)limx→0(1+x)α−1x=α

解 设(14)u(x)=(1+x)α−1−αxx=o(1),x→0 则(15)(1+2x)α=[(1+x)2−x2]α=[(1+x)α]2[1−x2(1+x)2]α1+2αx+2xu(2x)=[1+αx+xu(x)]2[1−αx2(1+x)2+o(x2)]=[1+2αx+2xu(x)+α2x2][1−αx2+o(x2)]=1+2αx+2xu(x)+α(α−1)x2+o(x2) 因此(16)u(2x)−u(x)−α(α−1)2x=o(x),x→0 猜测u(x)=Axβ+o(xβ),其中β≥1,代入上式得(17)A(2x)β+o((2x)β)−Axβ+o(xβ)−α(α−1)2x=o(x)(2β−1)Axβ+o(xβ)=α(α−1)2x+o(x) 对比等式两侧可得(18)β=1,A=α(α−1)2(2β−1)=α(α−1)2 因此(19)u(x)=α(α−1)2x+o(x),x→0 ◻

例 4.3.6 指数函数、对数函数、三角函数、反三角函数的渐近展开。

(1)

记u(x)=ex−1−xx,证明u(x)=o(1),并且(20)u(2x)−u(x)−x2=o(x)⟹ex=1+x+x22+o(x2),x→0

(2)

记v(x)=ln⁡(1+x)−xx,证明v(x)=o(1),并且(21)v(2x)−v(x)+x2=o(x)⟹ln⁡(1+x)=x−x22+o(x2),x→0

(3)

记w(x)=sin⁡x−xx,证明w(x)=o(1),并且(22)w(2x)−w(x)+x22=o(x)⟹sin⁡x=x−x36+o(x3),x→0

(4)

(23)arcsin⁡x=x+x36+o(x3),x→0arccos⁡x=π2−arcsin⁡x=π2−x−x36+o(x3),x→0

(5)

(24)cos⁡x=1−x22+x424+o(x4),x→0

证明 提示:(1) (25)e2x=(ex)21+2x+2xu(2x)=(1+x+xu(x))2=1+2x+x2+2xu(x)+o(x2)⟹u(2x)−u(x)−x2=o(x),x→0⟹u(x)=x2+o(x),x→0 (2) (26)ln⁡(1+2x)=2ln⁡(1+x)+ln⁡(1−x2(1+x)2)2x+2xv(2x)=2(x+xv(x))−x2(1+x)2+o(x2)=2x+2xv(x)−x2+o(x2)⟹v(2x)−v(x)+x2=o(x),x→0⟹v(x)=−x2+o(x),x→0 或者利用(27)y=ex−1=x+x22+o(x2)⟹x=ln⁡(1+y)=y−y22+o(y2) (3) (28)sin⁡2x=2sin⁡xcos⁡x=2sin⁡x(1−sin2⁡x)122x+2xw(2x)=2(x+xw(x))(1−(x+xw(x))2)12=(2x+2xw(x))[1−12(x+xw(x))2+o(x2)]=2x+2xw(x)−x3+o(x3),x→0⟹w(2x)−w(x)+x22=o(x),x→0⟹w(x)=−x26+o(x2),x→0 (4) 利用(29)y=sin⁡x=x−x36+o(x3)⟹x=arcsin⁡y=y+y36+o(y3) (5) 利用(30)cos⁡x=1−sin2⁡x=[1−(x−x36+o(x3))2]12=1−12(x−x36+o(x3))2+12(12−1)2(x+o(x))4+o(x4)=1−x22+x424+o(x4),x→0 ◻

例 4.3.7 设λ>1≥|A|、α>0,当x→0时,f是无穷小量且满足(31)f(λx)−Af(x)−Bxα=o(xα),x→0 证明(32)f(x)=Bλα−Axα+o(xα),x→0

解 ∀ε>0,∃δ>0,使得∀x∈R(33)0<|x|<δ⟹|f(λx)−Af(x)−Bxα|<ε|x|α ∀k∈N∗,0<|λ−(k−1)x|≤|x|<δ,从而(34)|Ak−1f(λ−(k−1)x)−Akf(λ−kx)−BAk−1(λ−kx)α|<ε|A|k−1|λ−kx|α 因此∀n∈N∗(35)|f(x)−Anf(λ−nx)−Bλαxα∑k=0n−1(Aλα)k|≤ε|x|α1λα∑k=0n−1|Aλα|k 令n→+∞可得(36)|f(x)−Bλα11−Aλα|≤1λαε|x|α1−|A|λα=ε|x|αλα−|A|≤?ε′|B||x|αλα−A 取ε满足(37)εε′≤|B|λα−|A|λα−A∈(0,|B|] 即可,因此(38)f(x)=Bλα−Axα+o(xα),x→0

在进行严谨证明时,不能猜测f(x)=Cxβ+o(xβ),因为这样仅仅证明了蕴涵式“若f具有这个形式则结论成立”为真,与“结论成立”为真无关。 ◻

例 4.3.8 求limx→0tan⁡x−xx3。

错解 (1) 错误使用等价无穷小替换。(39)limx→0tan⁡x−xx3=limx→0x−x+o(x)x3=limx→0o(x)x3= ? (2) 预先假设极限存在。(40)L=limx→0tan⁡x−xx3=limx→0tan⁡2x−2x(2x)3=14limx→012tan⁡2x−xx34L−L=limx→012tan⁡2x−tan⁡xx3=limx→0tan3⁡xx3(1−tan2⁡x)=1⟹L=13 类似(2)的思路,我们可以证明很多离谱的“极限”,如(41)L=limx→01x⟹L2=limx→012x=L⟹L=0

解 (42)tan⁡x−xx3=sin⁡x−xcos⁡xx3cos⁡x=x−x36+o(x3)−x(1−x22+o(x2))x3(1+o(1))=x33+o(x3)x3(1+o(1))=13+o(1)→13,x→0 也可类似前题的思路:设tan⁡x=x+u(x),则(43)sin⁡x=[x+u(x)]cos⁡xx+o(x)=[x+u(x)][1+o(1)]=x+u(x)+o(x) 故可设u(x)=xv(x),其中v(x)=o(1),则(44)tan⁡2x=2tan⁡x1−tan2⁡x2x+2xv(2x)=2(x+xv(x))1−(x+xv(x))22x+2xv(x)=2x[1+v(2x)][1−(x+xv(x))2]=2x[1+v(2x)][1−x2+o(x2)]=2x[1+v(2x)−x2+o(x2)]=2x+2xv(2x)−2x3+o(x3)⟹v(2x)−v(x)−x2=o(x),x→0⟹v(x)=x23+o(x2),x→0 ◻

例 4.3.9 求单侧极限(45)limx→1±arcsin⁡2x1+x2−π2x−1

解 记h=1−x,t=π2−arcsin⁡2x1+x2∈[0,π],则h→0±当且仅当x→1∓,(46)cos⁡t=sin⁡(π2−t)=2x1+x2=2(1−h)1+(1−h)2=11+h22(1−h)→1− 于是t=0+,上式两边展开可得(47)1−t22+o(t2)=1−h22(1−h)+o(h2)=1−h22+o(h2)⟹t2=h2+o(h) 从而(48)t=h2+o(h2)=|h|1+o(1)=|h|(1+o(1)) 因此(49)limx→1−arcsin⁡2x1+x2−π2x−1=limh→0+−t−h=limh→0+h(1+o(1))h=1limx→1+arcsin⁡2x1+x2−π2x−1=limh→0−−t−h=limh→0−−h(1+o(1))h=−1 ◻

4.3.2 极限的综合练习

例 4.3.10 求(50)limx→+∞(x2+2x−x3−x23)

解 (51)x2+2x−x3−x23=x(1+2x)12−x(1−1x)13=x(1+1x+o(1x))−x(1−13x+o(1x))=43+o(1)→43,x→+∞ ◻

例 4.3.11 求(52)limx→0sin⁡(tan⁡x)tan⁡(sin⁡x)

解 (53)sin⁡(tan⁡x)tan⁡(sin⁡x)=tan⁡x+o(tan⁡x)sin⁡x+o(sin⁡x)=x+o(x)x+o(x)→1,x→0 ◻

例 4.3.12 求(54)limx→+∞x2ln⁡(cos⁡1x)

解 记t=1x,则x→+∞当且仅当t→0+,因此(55)x2ln⁡(cos⁡1x)=ln⁡(cos⁡t)t2=ln⁡(1−t22+o(t2))t2=−t22+o(t2)t2→−12 ◻

例 4.3.13 求(56)limx→0(2sin⁡x+cos⁡x)1x

解 (57)(2sin⁡x+cos⁡x)1x=exp⁡ln⁡(2sin⁡x+cos⁡x)x=exp⁡ln⁡(1+2x+o(x))x=exp⁡2x+o(x)x=exp⁡(2+o(1))→e2,x→0 ◻

例 4.3.14 求(58)limn→+∞e−n(1+1n)n2

解 (59)e−n(1+1n)n2=exp⁡[n2ln⁡(1+1n)−n]=exp⁡[n2(1n−12n2+o(1n2))−n]=exp⁡(−12+o(1))→1e,n→+∞ ◻

例 4.3.15 设a>0且a≠1,求参数p的值,使得(60)xp(a1x−a1x+1) 为非零实数,并求这个极限的值。

解 记t=1x,则x→+∞当且仅当t→0+,因此(61) xp(a1x−a1x+1)=1tp(etln⁡a−exp⁡tln⁡a1+t)=1tp(1+tln⁡a+t2ln2⁡a2+o(t2)−1−tln⁡a1+t−t2ln2⁡a2(1+t)2+o(t2))=1tp(tln⁡a+t2ln2⁡a2−t(1−t)ln⁡a−t2ln2⁡a2+o(t2))=ln⁡a+o(1)tp−2→ln⁡a≠0,t→0+ 所以p=2,并且上述极限为ln⁡a。

或者利用(62)xpa1x+1(a1x−1x+1−1)=xp(1+o(1))[ln⁡a⋅(1x−1x+1)+o(1x−1x+1)]=xp−2ln⁡a+o(xp−2)={ln⁡a,p=20,p<2∞,p>2 ◻

例 4.3.16 比较以下两式作为e的误差。(63)(1+1n)n+α,∑k=0n1k!

解 (64)(1+1n)n+α=exp⁡((n+α)ln⁡(1+1n))=exp⁡((n+α)(1n−12n2+13n3+o(1n3)))=exp⁡(1+α−12n+−α2+13n2+o(1n2))=e(1+α−12n+12(α−12)2+(13−α2)n2+o(1n2)),n→+∞ 故当α≠12时,(1+1n)n+α与1n同阶;当α=12时,(1+1n)n+α与1n2同阶;即在这一数列族中,(1+1n)n+12收敛最快,但它的收敛速度远不如∑k=0n1k!,因为(65)∑k=0n1k!=e(1+o(2(n+1)!)),n→+∞ ◻

例 4.3.17 计算(66)limn→+∞n+n+n3+⋯+nnn

解 利用AM-GM不等式可得(67)1<n1/k=1⋯1⏟k−2⋅n⋅nn<k−2+2nk<1+2nk,k≥2 因此(68)Ans>n+1+1+⋯+1n=2n−1n=2−1nAns<1+1n∑k=2n(1+2nk)=2−1n+2n∑k=2n1k<2−1n+2ln⁡nn 由夹挤定理可得极限存在且等于2。 ◻

例 4.3.18 计算(69)limn→+∞1n+2n+⋯+nnn1+n2+⋯+nn

解 首先考虑分母。易见(70)n1+n2+⋯+nn=nn(1+o(1))

然后考虑分子。注意到(71)∑k=1nknnn=∑k=0n−1(1−kn)n 可以证明(72)0≤e−k−(1−kn)n≤k2e−kn 因此(73)|∑k=0n−1[(1−kn)n−e−k]|≤∑k=0n−1k2e−kn≤∑k<9k2e−kn+∑k≥9k2⋅k−4n≤An 从而(74)|∑k=0n−1(1−kn)n−ee−1|≤|∑k=0n−1(1−kn)n−e−k|+|∑k=0n−1e−k−11−e−1|≤An+∑k=n+∞e−k=An+e−n1−e−1→0,n→+∞ 亦即(75)limn→+∞1n+2n+⋯+nnn1+n2+⋯+nn=limn→+∞nnnn(1+o(1))limn→+∞∑k=0n−1(1−kn)n=ee−1 ◻

例 4.3.19 设数列{xn}满足Sn=∑k=1nxk有界且limn→+∞(xn+1−xn)=0。证明:limn→+∞xn=0。

证明 由题设可知∀ε′>0,∃N>0使得n>N⟹|xn+1−xn|<ε′。注意到(76)Sn+p−Sn=xn+p+xn+p−1+xn+p−2+⋯+xn+1=(xn+p−xn+p−1)+2(xn+p−1−xn+p−2)+⋯+p(xn+1−xn)+pxn 设|Sn|≤M,∀n∈N∗,则(77)|xn|≤2Mp+|xn+p−xn+p−1|+|xn+p−1−xn+p−2|+⋯+|xn+1−xn|<2Mp+pε′≤?ε 选择p和ε′满足(78)2Mp≤ε2,pε′≤ε2⟹p≥4Mε,ε′≤ε2p 整理一下我们已有的信息,我们有(79)∀ε→∃p→∃ε′→∃N→∀n>N→|xn|<ε 即limn→+∞xn=0。 ◻