4.3 习题课讲解

4.3.1 无穷大量与无穷小量

例 4.3.1 Oo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。

提示:设xauO(f)vo(f),利用定义

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

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)|,xa|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)|,xa (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),x0,A0,k>1 f的反函数f1在自变量y0时的渐近表达式。

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=yABAk+1yk+o(yk),y0

例 4.3.4 广义二项式定理。对正有理数mn,求x0时,(1+x)mn的渐近展开。

Newton当年得到的结果为:(9)(1+x)mn=i=0k(mni)xi+o(xk),x0 其中广义二项式系数的定义为:

我们证明k2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(m1)2x2+o(x2)=1+n(mnx+g(x))+n(n1)2(mnx+g(x))2+o(x2)=1+mx+ng(x)+m2(n1)2nx2g(x)=mn(mn1)2x2+o(x2) 因此(12)(1+x)mn=1+mnx+mn(mn1)2x2+o(x2),x0

例 4.3.5 幂函数的渐近展开。设αR,求x0时,xα的渐近展开。提示:(13)limx0(1+x)α1x=α

(14)u(x)=(1+x)α1αxx=o(1),x0(15)(1+2x)α=[(1+x)2x2]α=[(1+x)α]2[1x2(1+x)2]α1+2αx+2xu(2x)=[1+αx+xu(x)]2[1αx2(1+x)2+o(x2)]=[1+2αx+2xu(x)+α2x2][1αx2+o(x2)]=1+2αx+2xu(x)+α(α1)x2+o(x2) 因此(16)u(2x)u(x)α(α1)2x=o(x),x0 猜测u(x)=Axβ+o(xβ),其中β1,代入上式得(17)A(2x)β+o((2x)β)Axβ+o(xβ)α(α1)2x=o(x)(2β1)Axβ+o(xβ)=α(α1)2x+o(x) 对比等式两侧可得(18)β=1,A=α(α1)2(2β1)=α(α1)2 因此(19)u(x)=α(α1)2x+o(x),x0

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)

u(x)=ex1xx,证明u(x)=o(1),并且(20)u(2x)u(x)x2=o(x)ex=1+x+x22+o(x2),x0

(2)

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)=xx22+o(x2),x0

(3)

w(x)=sinxxx,证明w(x)=o(1),并且(22)w(2x)w(x)+x22=o(x)sinx=xx36+o(x3),x0

(4)

(23)arcsinx=x+x36+o(x3),x0arccosx=π2arcsinx=π2xx36+o(x3),x0

(5)

(24)cosx=1x22+x424+o(x4),x0

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),x0u(x)=x2+o(x),x0 (2) (26)ln(1+2x)=2ln(1+x)+ln(1x2(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),x0v(x)=x2+o(x),x0 或者利用(27)y=ex1=x+x22+o(x2)x=ln(1+y)=yy22+o(y2) (3) (28)sin2x=2sinxcosx=2sinx(1sin2x)122x+2xw(2x)=2(x+xw(x))(1(x+xw(x))2)12=(2x+2xw(x))[112(x+xw(x))2+o(x2)]=2x+2xw(x)x3+o(x3),x0w(2x)w(x)+x22=o(x),x0w(x)=x26+o(x2),x0 (4) 利用(29)y=sinx=xx36+o(x3)x=arcsiny=y+y36+o(y3) (5) 利用(30)cosx=1sin2x=[1(xx36+o(x3))2]12=112(xx36+o(x3))2+12(121)2(x+o(x))4+o(x4)=1x22+x424+o(x4),x0

例 4.3.7 λ>1|A|α>0,当x0时,f是无穷小量且满足(31)f(λx)Af(x)Bxα=o(xα),x0 证明(32)f(x)=BλαAxα+o(xα),x0

ε>0δ>0,使得xR(33)0<|x|<δ|f(λx)Af(x)Bxα|<ε|x|α kN0<|λ(k1)x||x|<δ,从而(34)|Ak1f(λ(k1)x)Akf(λkx)BAk1(λkx)α|<ε|A|k1|λkx|α 因此nN(35)|f(x)Anf(λnx)Bλαxαk=0n1(Aλα)k|ε|x|α1λαk=0n1|Aλα|kn+可得(36)|f(x)Bλα11Aλα|1λαε|x|α1|A|λα=ε|x|αλα|A|?ε|B||x|αλαAε满足(37)εε|B|λα|A|λαA(0,|B|] 即可,因此(38)f(x)=BλαAxα+o(xα),x0

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 limx0tanxxx3

错解 (1) 错误使用等价无穷小替换。(39)limx0tanxxx3=limx0xx+o(x)x3=limx0o(x)x3= ? (2) 预先假设极限存在。(40)L=limx0tanxxx3=limx0tan2x2x(2x)3=14limx012tan2xxx34LL=limx012tan2xtanxx3=limx0tan3xx3(1tan2x)=1L=13 类似(2)的思路,我们可以证明很多离谱的“极限”,如(41)L=limx01xL2=limx012x=LL=0

(42)tanxxx3=sinxxcosxx3cosx=xx36+o(x3)x(1x22+o(x2))x3(1+o(1))=x33+o(x3)x3(1+o(1))=13+o(1)13,x0 也可类似前题的思路:设tanx=x+u(x),则(43)sinx=[x+u(x)]cosxx+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)tan2x=2tanx1tan2x2x+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)][1x2+o(x2)]=2x[1+v(2x)x2+o(x2)]=2x+2xv(2x)2x3+o(x3)v(2x)v(x)x2=o(x),x0v(x)=x23+o(x2),x0

例 4.3.9 求单侧极限(45)limx1±arcsin2x1+x2π2x1

h=1xt=π2arcsin2x1+x2[0,π],则h0±当且仅当x1(46)cost=sin(π2t)=2x1+x2=2(1h)1+(1h)2=11+h22(1h)1 于是t=0+,上式两边展开可得(47)1t22+o(t2)=1h22(1h)+o(h2)=1h22+o(h2)t2=h2+o(h) 从而(48)t=h2+o(h2)=|h|1+o(1)=|h|(1+o(1)) 因此(49)limx1arcsin2x1+x2π2x1=limh0+th=limh0+h(1+o(1))h=1limx1+arcsin2x1+x2π2x1=limh0th=limh0h(1+o(1))h=1

4.3.2 极限的综合练习

例 4.3.10 (50)limx+(x2+2xx3x23)

(51)x2+2xx3x23=x(1+2x)12x(11x)13=x(1+1x+o(1x))x(113x+o(1x))=43+o(1)43,x+

例 4.3.11 (52)limx0sin(tanx)tan(sinx)

(53)sin(tanx)tan(sinx)=tanx+o(tanx)sinx+o(sinx)=x+o(x)x+o(x)1,x0

例 4.3.12 (54)limx+x2ln(cos1x)

t=1x,则x+当且仅当t0+,因此(55)x2ln(cos1x)=ln(cost)t2=ln(1t22+o(t2))t2=t22+o(t2)t212

例 4.3.13 (56)limx0(2sinx+cosx)1x

(57)(2sinx+cosx)1x=expln(2sinx+cosx)x=expln(1+2x+o(x))x=exp2x+o(x)x=exp(2+o(1))e2,x0

例 4.3.14 (58)limn+en(1+1n)n2

(59)en(1+1n)n2=exp[n2ln(1+1n)n]=exp[n2(1n12n2+o(1n2))n]=exp(12+o(1))1e,n+

例 4.3.15 a>0a1,求参数p的值,使得(60)xp(a1xa1x+1) 为非零实数,并求这个极限的值。

t=1x,则x+当且仅当t0+,因此(61) xp(a1xa1x+1)=1tp(etlnaexptlna1+t)=1tp(1+tlna+t2ln2a2+o(t2)1tlna1+tt2ln2a2(1+t)2+o(t2))=1tp(tlna+t2ln2a2t(1t)lnat2ln2a2+o(t2))=lna+o(1)tp2lna0,t0+ 所以p=2,并且上述极限为lna

或者利用(62)xpa1x+1(a1x1x+11)=xp(1+o(1))[lna(1x1x+1)+o(1x1x+1)]=xp2lna+o(xp2)={lna,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!

(64)(1+1n)n+α=exp((n+α)ln(1+1n))=exp((n+α)(1n12n2+13n3+o(1n3)))=exp(1+α12n+α2+13n2+o(1n2))=e(1+α12n+12(α12)2+(13α2)n2+o(1n2)),n+ 故当α12时,(1+1n)n+α1n同阶;当α=12时,(1+1n)n+α1n2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

利用AM-GM不等式可得(67)1<n1/k=11k2nnn<k2+2nk<1+2nk,k2 因此(68)Ans>n+1+1++1n=2n1n=21nAns<1+1nk=2n(1+2nk)=21n+2nk=2n1k<21n+2lnnn 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

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=0n1(1kn)n 可以证明(72)0ek(1kn)nk2ekn 因此(73)|k=0n1[(1kn)nek]|k=0n1k2eknk<9k2ekn+k9k2k4nAn 从而(74)|k=0n1(1kn)nee1||k=0n1(1kn)nek|+|k=0n1ek11e1|An+k=n+ek=An+en1e10,n+ 亦即(75)limn+1n+2n++nnn1+n2++nn=limn+nnnn(1+o(1))limn+k=0n1(1kn)n=ee1

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

证明 由题设可知ε>0N>0使得n>N|xn+1xn|<ε。注意到(76)Sn+pSn=xn+p+xn+p1+xn+p2++xn+1=(xn+pxn+p1)+2(xn+p1xn+p2)++p(xn+1xn)+pxn|Sn|MnN,则(77)|xn|2Mp+|xn+pxn+p1|+|xn+p1xn+p2|++|xn+1xn|<2Mp+pε?ε 选择pε满足(78)2Mpε2,pεε2p4Mε,εε2p 整理一下我们已有的信息,我们有(79)εpεNn>N|xn|<εlimn+xn=0