一、不定型极限的计算

常见不定型:

00,,1,,0,00,0\frac00,\qquad \frac{\infty}{\infty},\qquad 1^\infty,\qquad \infty-\infty,\qquad \infty\cdot0,\qquad 0^0,\qquad \infty^0

1. 00\frac00 型极限

1.1 常用方法

遇到 00\frac00 型,一般考虑:

  1. 等价无穷小替换
  2. 洛必达法则
  3. 泰勒展开麦克劳林公式

1.2 出现幂函数 u(x)v(x)u(x)^{v(x)}

通常先改写成指数形式:

u(x)v(x)=ev(x)lnu(x)u(x)^{v(x)} = e^{v(x)\ln u(x)}

于是问题转化为计算

limv(x)lnu(x)\lim v(x)\ln u(x)

1.3 出现 lnφ(x)\ln \varphi(x),且 φ(x)1\varphi(x)\to1

先写成

lnφ(x)=ln[1+(φ(x)1)]\ln\varphi(x) = \ln\left[1+\bigl(\varphi(x)-1\bigr)\right]

利用

ln(1+t)t(t0)\ln(1+t)\sim t\qquad(t\to0)

得到

lnφ(x)φ(x)1\boxed{\ln\varphi(x)\sim \varphi(x)-1}

1.4 需要处理 φ(x)1\varphi(x)-1

根据 φ(x)\varphi(x) 的形式,常用:

eΔ1Δ(Δ0)e^\Delta-1\sim\Delta \qquad(\Delta\to0)

以及

(1+Δ)a1aΔ(Δ0)(1+\Delta)^a-1\sim a\Delta \qquad(\Delta\to0)

1.5 注意无穷小的阶数

x0x\to0 时:

x,sinx,tanx,arcsinx,arctanxx,\quad \sin x,\quad \tan x,\quad \arcsin x,\quad \arctan x

它们彼此都是等价无穷小:

xsinxtanxarcsinxarctanxx\sim\sin x\sim\tan x\sim\arcsin x\sim\arctan x

但需要特别注意:

上述函数中任意两个函数之差是 三阶无穷小

因此在出现“两个等价无穷小相减”时,不能简单地都替换成 xx,否则会把主要项消掉。

另外需要记住:

xln(1+x)12x2(x0)\boxed{x-\ln(1+x)\sim \frac12x^2} \qquad(x\to0)

2. 11^\infty 型极限

基本思路

第一步:凑成

(1+Δ)1/Δ(1+\Delta)^{1/\Delta}

其中

Δ0\Delta\to0

利用基本极限:

limΔ0(1+Δ)1/Δ=e\boxed{\lim_{\Delta\to0}(1+\Delta)^{1/\Delta}=e}

3. \frac{\infty}{\infty} 型极限

3.1 比较无穷大的阶

x+x\to+\infty 时,若

a>0,b>0,c>1a>0,\qquad b>0,\qquad c>1

则增长速度由低到高为

lnaxxbcx\boxed{ \ln^a x \ll x^b \ll c^x }

即:

对数函数 < 幂函数 < 指数函数

因此

limx+lnaxxb=0\lim_{x\to+\infty}\frac{\ln^a x}{x^b}=0 limx+xbcx=0\lim_{x\to+\infty}\frac{x^b}{c^x}=0

3.2 多项式之比

amxm++a0bnxn++b0\frac{a_mx^m+\cdots+a_0} {b_nx^n+\cdots+b_0}

比较最高次数即可。

m<nm<n
lim=0\boxed{\lim=0}
m=nm=n
lim=ambn\boxed{ \lim=\frac{a_m}{b_n} }
m>nm>n

极限发散到无穷,具体正负由最高次项决定。


3.3 洛必达法则

如果满足洛必达法则的使用条件,可对分子、分母同时求导:

limf(x)g(x)=limf(x)g(x)\lim\frac{f(x)}{g(x)} = \lim\frac{f'(x)}{g'(x)}

必要时可以连续使用。

同时满足以下三个核心条件:

  • 未定式条件:当 xax \to a时,分子与分母的极限必须构成了 00\frac{0}{0}\frac{\infty}{\infty} 型未定式。
  • 可导性条件:在点 aa 的某去心邻域内,f(x)f(x)g(x)g(x) 必须都可导,且分母的导数 g(x)0g'(x) \neq 0
  • 导数极限存在性条件:求导后的极限 limxaf(x)g(x)\lim_{x \to a} \frac{f'(x)}{g'(x)} 必须存在或为 \infty

3.4 分子、分母同时除以同一个式子

尤其适用于含高次幂的式子。

一般选择:

  • 最高次幂;
  • 增长最快的项;
  • 能够使表达式明显简化的项。

核心思想是把“无穷大”转化成常数或无穷小。


3.5 夹逼准则

如果能找到

g(x)f(x)h(x)g(x)\le f(x)\le h(x)

并且

limg(x)=limh(x)=A\lim g(x)=\lim h(x)=A

那么

limf(x)=A\boxed{\lim f(x)=A}

适合处理:

  • 阶乘;
  • 数列;
  • 不方便直接使用洛必达的表达式。

4. \infty-\infty 型极限

核心思想:

不能直接判断两个无穷大的差,要先合并成一个整体。

情况一:含有分母

一般进行 通分

\infty-\infty 转化成

00\frac00 \quad\text{或}\quad \frac{\infty}{\infty}

情况二:没有分母,但含根式

一般对根式进行 有理化

典型形式:

AB\sqrt{A}-\sqrt{B}

乘以共轭式:

A+B\sqrt A+\sqrt B

得到

AB=ABA+B\sqrt A-\sqrt B = \frac{A-B}{\sqrt A+\sqrt B}

情况三:既没有分母,也没有根式

一般考虑:

提取公因式或最高阶项\boxed{\text{提取公因式或最高阶项}}

把主要增长部分提出来,再判断剩余部分。


5. 0\infty\cdot0 型极限

5.1 化乘积为商

将其中一项移到分母

转化成

00\frac00 \quad\text{或}\quad \frac{\infty}{\infty}

5.2 出现 f(b)f(a)f(b)-f(a)

如果极限中出现函数值之差

f(b)f(a)f(b)-f(a)

可以考虑 拉格朗日中值定理

f(b)f(a)=f(ξ)(ba)f(b)-f(a) = f'(\xi)(b-a)

其中

ξ(a,b)\xi\in(a,b)

6. 000^0 型与 0\infty^0 型极限

把极限表达式转换:

φ(x)ψ(x)elimψ(x)lnφ(x)\boxed{ \varphi(x)^{\psi(x)} \longrightarrow e^{\,\lim\psi(x)\ln\varphi(x)} }

统一记忆

实际上三个幂指型不定式

1,00,01^\infty,\qquad0^0,\qquad\infty^0

都可以统一用:

u(x)v(x)=ev(x)lnu(x)\boxed{ u(x)^{v(x)} = e^{v(x)\ln u(x)} }

处理。


二、用定积分定义计算数列极限

当极限中出现:

  • nn 项和;
  • knkn 项和;
  • 每一项都可以写成 1nf(in)\frac1n f\left(\frac{i}{n}\right) 的形式;

要考虑把它识别成 黎曼和


1. 基本公式

limn1ni=1knf(in)=0kf(x)dx\boxed{ \lim_{n\to\infty} \frac1n \sum_{i=1}^{kn} f\left(\frac{i}{n}\right) = \int_0^k f(x)\,dx }

同理,

limn1ni=1knf(i1n)=0kf(x)dx\boxed{ \lim_{n\to\infty} \frac1n \sum_{i=1}^{kn} f\left(\frac{i-1}{n}\right) = \int_0^k f(x)\,dx }

2. 识别方法

看到求和式

i=1kn()\sum_{i=1}^{kn}(\cdots)

时,想办法凑出:

1ni=1knf(in)\boxed{ \frac1n \sum_{i=1}^{kn} f\left(\frac{i}{n}\right) }

对应定积分中的:

Δx=1n\Delta x=\frac1n xi=inx_i=\frac{i}{n}

积分区间为:

[0,k][0,k]

因此:

1ni=1knf(in)0kf(x)dx\frac1n \sum_{i=1}^{kn} f\left(\frac{i}{n}\right) \longrightarrow \int_0^k f(x)\,dx

书本上的例题我直接做了,就不摘录上来了。
以后要是做题目遇到了相应题型再放上来吧。
累死了今天,继续看看可爱的贵贵😊
含着牙刷的中岛由贵