第 112 篇

考研数学二·零基础讲义 第02讲(下)|极限的计算(二):两个重要极限与抓大头

约 14 分钟 4133 字 数学考研数学二零基础讲义高等数学

考研数学二·零基础讲义 · 第 02 讲(下)|极限的计算(二):两个重要极限与抓大头

学完本篇,你会用 sin⁡□□→1\dfrac{\sin\square}{\square}\to1 和 (1+□)1/□→e(1+\square)^{1/\square}\to e 两个"框架"算三角型和 1∞1^\infty 型极限,会用抓大头处理 ∞∞\dfrac\infty\infty 型(包括根号、指数、正负无穷的陷阱),并掌握拿到一道极限题的四步思路。预计用时:3–4 小时。

本讲地图

  • 第一个重要极限 lim⁡x→0sin⁡xx=1\lim\limits_{x\to0}\dfrac{\sin x}{x}=1 及其推论(tan⁡x\tan x、1−cos⁡x1-\cos x、arcsin⁡x\arcsin x)。大纲要求:掌握利用两个重要极限求极限的方法。
  • 第二个重要极限 lim⁡x→∞(1+1x)x=e\lim\limits_{x\to\infty}\left(1+\dfrac1x\right)^x=e,以及 1∞1^\infty 型的万能公式 lim⁡uv=elim⁡(u−1)v\lim u^v=e^{\lim(u-1)v}。
  • ∞∞\dfrac\infty\infty 型抓大头:同次比系数,分母高为 0,分子高为无穷;ln⁡x≪xα≪ax\ln x\ll x^\alpha\ll a^x。
  • 极限题四步法:代入 → 判型 → 选方法 → 看方向。
  • 考研怎么考:这些是算极限的"基本功",直接或间接出现在几乎每一份试卷的小题里;第 03 讲的等价无穷小就是从第一个重要极限发展出来的。

前置知识

  • 极限的概念与左右极限:见第 02 讲(上);四则运算、有理化、夹逼:见第 02 讲(中)。
  • 三角公式(1−cos⁡x=2sin⁡2x21-\cos x=2\sin^2\frac x2、诱导公式)、uv=evln⁡uu^v=e^{v\ln u}:见第 01 讲(下)。

一、两个重要极限

1.1 第一个重要极限

大白话:角度很小时,正弦值约等于角本身(弧度制)。比如 x=0.01x=0.01,sin⁡0.01≈0.0099998\sin0.01\approx0.0099998,几乎就是 0.01。

左:x 很小时 y=sin x 与 y=x 几乎重合;右:y=sin x / x 在 x=0 处无定义,但两侧都趋于 1 x y O −1 1 y = sin x(蓝)与 y = x(橙) x y O −2π 2π 1 y = sin x / x → 1(这一点挖空) 0 附近 sin x ≈ x,所以 sin x / x → 1

图 1:第一个重要极限的样子:0 附近 sin⁡x\sin x 和 xx 几乎重合;sin⁡xx\dfrac{\sin x}{x} 在 0 处虽然没有定义,但两边都趋于 1

公式:

lim⁡x→0sin⁡xx=1.\lim_{x\to0}\frac{\sin x}{x}=1.

推广形式(框架思维):只要"方框"趋于 0,

lim⁡sin⁡□□=1(□→0).\lim\frac{\sin\square}{\square}=1\quad(\square\to0).

逐行拆解:三个"同":分子 sin⁡\sin 里的东西、分母的东西必须一模一样,而且这个东西趋于 0。

由它推出的常用结论:

lim⁡x→0tan⁡xx=1,lim⁡x→01−cos⁡xx2=12,lim⁡x→0arcsin⁡xx=1.\lim_{x\to0}\frac{\tan x}{x}=1,\qquad \lim_{x\to0}\frac{1-\cos x}{x^2}=\frac12,\qquad \lim_{x\to0}\frac{\arcsin x}{x}=1.

例 1 lim⁡x→0sin⁡3xx\lim\limits_{x\to0}\dfrac{\sin3x}{x}。

解:凑成同一个"方框":sin⁡3xx=3⋅sin⁡3x3x\dfrac{\sin3x}{x}=3\cdot\dfrac{\sin3x}{3x}。x→0x\to0 时 3x→03x\to0,sin⁡3x3x→1\dfrac{\sin3x}{3x}\to1。原式 =3=3。

例 2 lim⁡x→0tan⁡xx\lim\limits_{x\to0}\dfrac{\tan x}{x}。

解:tan⁡xx=sin⁡xx⋅1cos⁡x→1⋅1=1\dfrac{\tan x}{x}=\dfrac{\sin x}{x}\cdot\dfrac{1}{\cos x}\to1\cdot1=1。

例 3 lim⁡x→01−cos⁡xx2\lim\limits_{x\to0}\dfrac{1-\cos x}{x^2}。

解:

第一步,用第 01 讲的公式 1−cos⁡x=2sin⁡2x21-\cos x=2\sin^2\dfrac x2。

第二步,2sin⁡2x2x2=2sin⁡2x24⋅(x2)2=12(sin⁡x2x2)2\dfrac{2\sin^2\frac x2}{x^2}=\dfrac{2\sin^2\frac x2}{4\cdot\left(\frac x2\right)^2}=\dfrac12\left(\dfrac{\sin\frac x2}{\frac x2}\right)^2。

第三步,括号里趋于 1,原式 =12=\dfrac12。

例 4(陷阱) lim⁡x→∞sin⁡xx\lim\limits_{x\to\infty}\dfrac{\sin x}{x} 和 lim⁡x→∞xsin⁡1x\lim\limits_{x\to\infty}x\sin\dfrac1x。

解:

  • 第一个:x→∞x\to\infty 时 sin⁡x\sin x 不趋于 0,不符合"方框趋于 0"。用"有界 × 无穷小":∣sin⁡x∣≤1\lvert\sin x\rvert\le1,1x→0\dfrac1x\to0,所以极限是 0,不是 1。
  • 第二个:令 t=1xt=\dfrac1x,x→∞x\to\infty 时 t→0t\to0,xsin⁡1x=sin⁡tt→1x\sin\dfrac1x=\dfrac{\sin t}{t}\to1。

⚠️ 先看"方框"是不是趋于 0,再用公式。

1.2 第二个重要极限

大白话:银行存 1 元,年利率 100%。一年结一次息得 2 元;半年结一次得 (1+12)2=2.25\left(1+\frac12\right)^2=2.25 元;结息次数越多钱越多,但有上限,上限就是 e≈2.718e\approx2.718 元。

y=(1+1/x)^x:x→+∞ 时从下方趋于 e,x→−∞ 时从上方趋于 e x y O −10 10 −1 1 e x → +∞:从下方靠近 e x → −∞:从上方靠近 e e ≈ 2.71828;在 −1 ≤ x ≤ 0 上无定义

图 2:第二个重要极限的样子:(1+1x)x\left(1+\dfrac1x\right)^x 在 x→±∞x\to\pm\infty 时都贴近水平线 y=ey=e

公式(两种写法):

lim⁡x→∞(1+1x)x=e,lim⁡x→0(1+x)1x=e.\lim_{x\to\infty}\left(1+\frac1x\right)^x=e,\qquad \lim_{x\to0}(1+x)^{\frac1x}=e.

推广形式:只要 □→0\square\to0,

lim⁡(1+□)1□=e.\lim(1+\square)^{\frac{1}{\square}}=e.

逐行拆解:这是"1∞1^\infty 型":底数趋于 1,指数趋于无穷。结构是"1 加一个小量,指数是这个小量的倒数"。

实用公式(1∞1^\infty 型的万能做法):若 lim⁡u=1\lim u=1,lim⁡v=∞\lim v=\infty,则

lim⁡uv=elim⁡(u−1)v.\lim u^v=e^{\lim (u-1)v}.

道理:uv=[1+(u−1)]1u−1⋅(u−1)vu^v=\left[1+(u-1)\right]^{\frac{1}{u-1}\cdot(u-1)v},中括号部分趋于 ee。

例 5 lim⁡x→∞(1+2x)x\lim\limits_{x\to\infty}\left(1+\dfrac2x\right)^x。

解:

方法一(凑):(1+2x)x=[(1+2x)x2]2\left(1+\dfrac2x\right)^x=\left[\left(1+\dfrac2x\right)^{\frac x2}\right]^2,中括号趋于 ee,原式 =e2=e^2。

方法二(公式):u−1=2xu-1=\dfrac2x,(u−1)v=2x⋅x=2(u-1)v=\dfrac2x\cdot x=2,原式 =e2=e^2。

例 6 lim⁡x→∞(1−1x)x\lim\limits_{x\to\infty}\left(1-\dfrac1x\right)^x。

解:(u−1)v=−1x⋅x=−1(u-1)v=-\dfrac1x\cdot x=-1,原式 =e−1=1e=e^{-1}=\dfrac1e。

例 7 lim⁡x→0(1+3x)1x\lim\limits_{x\to0}(1+3x)^{\frac1x}。

解:(u−1)v=3x⋅1x=3(u-1)v=3x\cdot\dfrac1x=3,原式 =e3=e^3。

例 8 lim⁡x→∞(x+1x−1)x\lim\limits_{x\to\infty}\left(\dfrac{x+1}{x-1}\right)^x。

解:

第一步,底数 →1\to1,指数 →∞\to\infty,是 1∞1^\infty 型。

第二步,u−1=x+1x−1−1=2x−1u-1=\dfrac{x+1}{x-1}-1=\dfrac{2}{x-1}。

第三步,(u−1)v=2xx−1→2(u-1)v=\dfrac{2x}{x-1}\to2。

所以原式 =e2=e^2。

1.3 易错点 ⚠️

  • ⚠️ 1∞1^\infty 不等于 1。"底数趋于 1"和"等于 1"是两回事,指数的无穷大会把微小的偏差放大。
  • ⚠️ lim⁡x→0(1+1x)x\lim\limits_{x\to0}\left(1+\dfrac1x\right)^x 不是第二重要极限(这里 1x\dfrac1x 不趋于 0),别乱套。
  • ⚠️ 用公式前先确认:底数确实 →1\to1,指数确实 →∞\to\infty。

1.4 更多例题:第一个重要极限

例 9 求 lim⁡x→0tan⁡x−sin⁡xx3\lim\limits_{x\to0}\dfrac{\tan x-\sin x}{x^3}。

解:

第一步,提出 tan⁡x\tan x:tan⁡x−sin⁡x=tan⁡x−tan⁡xcos⁡x=tan⁡x(1−cos⁡x)\tan x-\sin x=\tan x-\tan x\cos x=\tan x(1-\cos x)。

第二步,拆成两个熟悉的极限:tan⁡x(1−cos⁡x)x3=tan⁡xx⋅1−cos⁡xx2\dfrac{\tan x(1-\cos x)}{x^3}=\dfrac{\tan x}{x}\cdot\dfrac{1-\cos x}{x^2}。

第三步,tan⁡xx→1\dfrac{\tan x}{x}\to1,1−cos⁡xx2→12\dfrac{1-\cos x}{x^2}\to\dfrac12,两者都存在,可以相乘。

所以极限为 12\dfrac12。

例 10(方框不是 0 时先换元) 求 lim⁡x→πsin⁡xx−π\lim\limits_{x\to\pi}\dfrac{\sin x}{x-\pi}。

解:

第一步,x→πx\to\pi 时 sin⁡x→0\sin x\to0,但 sin⁡x\sin x 里的 xx 不趋于 0,不能直接套公式。

第二步,换元:令 t=x−πt=x-\pi,则 x=t+πx=t+\pi,t→0t\to0。

第三步,sin⁡x=sin⁡(t+π)=−sin⁡t\sin x=\sin(t+\pi)=-\sin t(诱导公式)。

第四步,原式 =lim⁡t→0−sin⁡tt=−1=\lim\limits_{t\to0}\dfrac{-\sin t}{t}=-1。

例 11 求 lim⁡x→0arcsin⁡xx\lim\limits_{x\to0}\dfrac{\arcsin x}{x}。

解:

第一步,令 t=arcsin⁡xt=\arcsin x,则 x=sin⁡tx=\sin t,x→0x\to0 时 t→0t\to0。

第二步,原式 =lim⁡t→0tsin⁡t=1=\lim\limits_{t\to0}\dfrac{t}{\sin t}=1。

例 12(数列也能用) 求 lim⁡n→∞nsin⁡πn\lim\limits_{n\to\infty}n\sin\dfrac{\pi}{n}。

解:

第一步,n→∞n\to\infty 时 πn→0\dfrac{\pi}{n}\to0,方框是 πn\dfrac\pi n。

第二步,凑:nsin⁡πn=π⋅sin⁡πnπn→π⋅1=πn\sin\dfrac{\pi}{n}=\pi\cdot\dfrac{\sin\frac{\pi}{n}}{\frac{\pi}{n}}\to\pi\cdot1=\pi。

(几何意义:圆内接正 nn 边形周长的一半,nn 越大越接近半圆周长 π\pi。)

例 13 求 lim⁡x→01−cos⁡xxsin⁡x\lim\limits_{x\to0}\dfrac{1-\cos x}{x\sin x}。

解:1−cos⁡xxsin⁡x=1−cos⁡xx2⋅xsin⁡x→12⋅1=12\dfrac{1-\cos x}{x\sin x}=\dfrac{1-\cos x}{x^2}\cdot\dfrac{x}{\sin x}\to\dfrac12\cdot1=\dfrac12。

1.5 更多例题:第二个重要极限

例 14 求 lim⁡x→0(1−2x)1x\lim\limits_{x\to0}(1-2x)^{\frac1x}。

解:

第一步,判型:底数 →1\to1,指数 →∞\to\infty,1∞1^\infty 型。

第二步,u−1=−2xu-1=-2x,(u−1)v=−2x⋅1x=−2(u-1)v=-2x\cdot\dfrac1x=-2。

所以极限为 e−2e^{-2}。

例 15 求 lim⁡x→0(cos⁡x)1x2\lim\limits_{x\to0}(\cos x)^{\frac{1}{x^2}}。

解:

第一步,底数 cos⁡x→1\cos x\to1,指数 →+∞\to+\infty,1∞1^\infty 型。

第二步,(u−1)v=cos⁡x−1x2=−1−cos⁡xx2→−12(u-1)v=\dfrac{\cos x-1}{x^2}=-\dfrac{1-\cos x}{x^2}\to-\dfrac12。

第三步,极限为 e−12=1ee^{-\frac12}=\dfrac{1}{\sqrt e}。

例 16 求 lim⁡n→∞(1+1n)n+3\lim\limits_{n\to\infty}\left(1+\dfrac1n\right)^{n+3}。

解:

第一步,拆开:(1+1n)n+3=(1+1n)n⋅(1+1n)3\left(1+\dfrac1n\right)^{n+3}=\left(1+\dfrac1n\right)^n\cdot\left(1+\dfrac1n\right)^3。

第二步,前者 →e\to e,后者 →13=1\to1^3=1。

第三步,极限为 ee。(用公式也一样:(u−1)v=n+3n→1(u-1)v=\dfrac{n+3}{n}\to1。)

例 17 求 lim⁡x→∞(x+3x+1)2x\lim\limits_{x\to\infty}\left(\dfrac{x+3}{x+1}\right)^{2x}。

解:

第一步,u−1=x+3x+1−1=2x+1u-1=\dfrac{x+3}{x+1}-1=\dfrac{2}{x+1}。

第二步,(u−1)v=2x+1⋅2x=4xx+1→4(u-1)v=\dfrac{2}{x+1}\cdot2x=\dfrac{4x}{x+1}\to4。

第三步,极限为 e4e^4。

例 18 求 lim⁡x→0(1+sin⁡x)1x\lim\limits_{x\to0}(1+\sin x)^{\frac1x}。

解:(u−1)v=sin⁡xx→1(u-1)v=\dfrac{\sin x}{x}\to1,极限为 ee。

⚠️ 1∞1^\infty 型的公式 elim⁡(u−1)ve^{\lim(u-1)v} 里,指数部分本身往往又是一个极限题,要用前面学过的方法把它算出来。


二、∞∞\dfrac{\infty}{\infty} 型:抓大头

2.1 大白话

一个亿万富翁和一个普通人合伙,两人资产加起来,基本就是富翁的资产。x→∞x\to\infty 时,3x2+2x3x^2+2x 里 3x23x^2 是"富翁",2x2x 可以忽略。分子分母各自只看"最大的那一项"(最高次项),这就是抓大头。

2.2 公式

x→∞x\to\infty 时,设分子最高次为 mm、系数 a0≠0a_0\ne0,分母最高次为 nn、系数 b0≠0b_0\ne0:

lim⁡x→∞a0xm+a1xm−1+⋯b0xn+b1xn−1+⋯={a0b0,m=n,0,m<n,∞,m>n.\lim_{x\to\infty}\frac{a_0x^m+a_1x^{m-1}+\cdots}{b_0x^n+b_1x^{n-1}+\cdots}=\begin{cases}\dfrac{a_0}{b_0}, & m=n,\\[2mm] 0, & m<n,\\[2mm] \infty, & m>n.\end{cases}

口诀:同次比系数,分母高为 0,分子高为无穷。

做法:分子分母同除以分母的最高次幂(或"最大的那个量")。

速度排序(x→+∞x\to+\infty,后面的比前面的"大"得多):

ln⁡x ≪ xα (α>0) ≪ ax (a>1).\ln x\ \ll\ x^{\alpha}\ (\alpha>0)\ \ll\ a^x\ (a>1).

对数 < 幂函数 < 指数函数。(严格证明在第 07 讲洛必达法则。)

2.3 例题

例 19 lim⁡x→∞3x2+2x5x2−1\lim\limits_{x\to\infty}\dfrac{3x^2+2x}{5x^2-1}。

解:同除以 x2x^2:3+2x5−1x2→35\dfrac{3+\frac2x}{5-\frac{1}{x^2}}\to\dfrac35。

例 20 lim⁡x→∞2x+1x2+1\lim\limits_{x\to\infty}\dfrac{2x+1}{x^2+1} 和 lim⁡x→∞x3x2+1\lim\limits_{x\to\infty}\dfrac{x^3}{x^2+1}。

解:前者分母次数高,极限为 0;后者分子次数高,极限为 ∞\infty(不存在)。

例 21 lim⁡x→∞(2x−1)3(x+2)2x5+1\lim\limits_{x\to\infty}\dfrac{(2x-1)^3(x+2)^2}{x^5+1}。

解:

第一步,分子展开后最高次项是 (2x)3⋅x2=8x5(2x)^3\cdot x^2=8x^5,不必真的展开。

第二步,分母最高次项 x5x^5,同次,比系数:81=8\dfrac81=8。

例 22(陷阱:根号与方向) 求 lim⁡x→+∞x2+1x+1\lim\limits_{x\to+\infty}\dfrac{\sqrt{x^2+1}}{x+1} 与 lim⁡x→−∞x2+1x+1\lim\limits_{x\to-\infty}\dfrac{\sqrt{x^2+1}}{x+1}。

解:

第一步,关键:x2=∣x∣\sqrt{x^2}=\lvert x\rvert。x→+∞x\to+\infty 时 ∣x∣=x\lvert x\rvert=x;x→−∞x\to-\infty 时 ∣x∣=−x\lvert x\rvert=-x。

第二步,x→+∞x\to+\infty:同除以 xx,1+1x21+1x→1\dfrac{\sqrt{1+\frac{1}{x^2}}}{1+\frac1x}\to1。

第三步,x→−∞x\to-\infty:x2+1=∣x∣1+1x2=−x1+1x2\sqrt{x^2+1}=\lvert x\rvert\sqrt{1+\frac{1}{x^2}}=-x\sqrt{1+\frac{1}{x^2}},所以原式 =−x1+1x2x+1=−1+1x21+1x→−1=\dfrac{-x\sqrt{1+\frac{1}{x^2}}}{x+1}=\dfrac{-\sqrt{1+\frac{1}{x^2}}}{1+\frac1x}\to-1。

两个方向结果不同,所以 lim⁡x→∞x2+1x+1\lim\limits_{x\to\infty}\dfrac{\sqrt{x^2+1}}{x+1} 不存在。

例 23(指数型) lim⁡n→∞3n+2n3n+1−2n\lim\limits_{n\to\infty}\dfrac{3^n+2^n}{3^{n+1}-2^n}。

解:大头是 3n3^n,同除以 3n3^n:1+(23)n3−(23)n\dfrac{1+\left(\frac23\right)^n}{3-\left(\frac23\right)^n}。因为 (23)n→0\left(\dfrac23\right)^n\to0,极限为 13\dfrac13。

2.4 易错点 ⚠️

  • ⚠️ 抓大头只适用于 x→∞x\to\infty。x→0x\to0 时反而要看最低次项("抓小头"),别弄反。
  • ⚠️ 含 x2\sqrt{x^2}、exe^x、arctan⁡x\arctan x 时,+∞+\infty 和 −∞-\infty 要分开算。

2.5 更多例题:抓大头

例 24(先化成分式再抓大头) 求 lim⁡x→∞(x2+1x+1−x)\lim\limits_{x\to\infty}\left(\dfrac{x^2+1}{x+1}-x\right)。

解:

第一步,两项都 →∞\to\infty,是 ∞−∞\infty-\infty 型,先通分:

x2+1x+1−x=x2+1−x2−xx+1=1−xx+1.\frac{x^2+1}{x+1}-x=\frac{x^2+1-x^2-x}{x+1}=\frac{1-x}{x+1}.

第二步,同次,比系数:−11=−1\dfrac{-1}{1}=-1。

例 25(指数型大头) 求 lim⁡x→+∞ex+x2ex−1\lim\limits_{x\to+\infty}\dfrac{e^x+x}{2e^x-1}。

解:

第一步,x→+∞x\to+\infty 时 exe^x 比 xx 大得多,大头是 exe^x。

第二步,同除以 exe^x:1+xe−x2−e−x\dfrac{1+xe^{-x}}{2-e^{-x}}。

第三步,e−x→0e^{-x}\to0;xe−x=xex→0xe^{-x}=\dfrac{x}{e^x}\to0(速度排序:指数远快于幂)。

第四步,极限为 1+02−0=12\dfrac{1+0}{2-0}=\dfrac12。

例 26(有界项不影响大头) 求 lim⁡x→∞x+sin⁡xx\lim\limits_{x\to\infty}\dfrac{x+\sin x}{x}。

解:x+sin⁡xx=1+sin⁡xx\dfrac{x+\sin x}{x}=1+\dfrac{\sin x}{x},而 sin⁡xx→0\dfrac{\sin x}{x}\to0(有界 × 无穷小),极限为 1。

⚠️ 例 26 不能"上下求导"之类乱来(洛必达法则第 07 讲才学,而且这里用了也算不出),抓大头和"有界 × 无穷小"就够了。


三、拿到一道极限题,先做什么(第 02 讲小结)

3.1 大白话

做极限题像看病:先"量体温"(代入看是什么型),再"对症下药"。别一上来就套公式。

3.2 四步流程

  1. 先代入:把 x0x_0(或 ∞\infty)代进去看看。能直接算出有限数,且分母不为 0,就结束了。
  2. 判类型:算不出来时,看它是 00\dfrac00、∞∞\dfrac\infty\infty、∞−∞\infty-\infty 还是 1∞1^\infty。
  3. 选方法:
    • 00\dfrac00 且是多项式或根式:因式分解、有理化;含三角函数:往 sin⁡□□\dfrac{\sin\square}{\square} 上凑。
    • ∞∞\dfrac\infty\infty:抓大头,同除以最大的那一项。
    • ∞−∞\infty-\infty:通分或有理化,化成分式。
    • 1∞1^\infty:用 elim⁡(u−1)ve^{\lim(u-1)v}。
    • nn 项和、递推数列:夹逼或单调有界。
  4. 看方向:有没有 ∣x∣\lvert x\rvert、e1xe^{\frac1x}、arctan⁡1x\arctan\dfrac1x、x2\sqrt{x^2}、分段函数?有就分左右(或分 ±∞\pm\infty)。

3.3 例题:综合走一遍

例 27 求 lim⁡x→01+x−1−xsin⁡x\lim\limits_{x\to0}\dfrac{\sqrt{1+x}-\sqrt{1-x}}{\sin x}。

解:

第一步,代入:分子 1−1=01-1=0,分母 sin⁡0=0\sin0=0,是 00\dfrac00 型。

第二步,分子是根式之差,先有理化,分子分母同乘 1+x+1−x\sqrt{1+x}+\sqrt{1-x}:

1+x−1−xsin⁡x=(1+x)−(1−x)sin⁡x(1+x+1−x)=2xsin⁡x(1+x+1−x).\frac{\sqrt{1+x}-\sqrt{1-x}}{\sin x}=\frac{(1+x)-(1-x)}{\sin x\left(\sqrt{1+x}+\sqrt{1-x}\right)}=\frac{2x}{\sin x\left(\sqrt{1+x}+\sqrt{1-x}\right)}.

第三步,拆成两部分:xsin⁡x→1\dfrac{x}{\sin x}\to1,21+x+1−x→21+1=1\dfrac{2}{\sqrt{1+x}+\sqrt{1-x}}\to\dfrac{2}{1+1}=1。

第四步,两部分极限都存在,可以相乘:原式 =1×1=1=1\times1=1。

例 28 求 lim⁡x→+∞(x2+x−x)\lim\limits_{x\to+\infty}\left(\sqrt{x^2+x}-x\right)。

解:

第一步,代入是 ∞−∞\infty-\infty 型。

第二步,有理化(把它看成分母为 1 的分式):

x2+x−x=(x2+x)−x2x2+x+x=xx2+x+x.\sqrt{x^2+x}-x=\frac{(x^2+x)-x^2}{\sqrt{x^2+x}+x}=\frac{x}{\sqrt{x^2+x}+x}.

第三步,变成 ∞∞\dfrac\infty\infty 型,抓大头,同除以 xx(x>0x>0,x2=x\sqrt{x^2}=x):11+1x+1→12\dfrac{1}{\sqrt{1+\frac1x}+1}\to\dfrac12。

3.4 易错点 ⚠️

  • ⚠️ 乘积里只有"极限存在且不为 0 的因子"才能先算出来提出去;不能把加减式里的某一项单独先算极限。
  • ⚠️ 例 28 若 x→−∞x\to-\infty,x2=−x\sqrt{x^2}=-x,结论完全不同(此时 x2+x−x→+∞\sqrt{x^2+x}-x\to+\infty),方向一定要看清。

公式/结论速记卡

类别 结论
第一重要极限 lim⁡sin⁡□□=1\lim\frac{\sin\square}{\square}=1(□→0\square\to0,分子分母的方框一模一样)
推论 tan⁡xx→1\frac{\tan x}{x}\to1;arcsin⁡xx→1\frac{\arcsin x}{x}\to1;1−cos⁡xx2→12\frac{1-\cos x}{x^2}\to\frac12(x→0x\to0)
方框不趋于 0 先换元,如 x→πx\to\pi 时令 t=x−πt=x-\pi
第二重要极限 lim⁡(1+□)1/□=e\lim(1+\square)^{1/\square}=e(□→0\square\to0)
1∞1^\infty 万能式 lim⁡uv=elim⁡(u−1)v\lim u^v=e^{\lim(u-1)v}(u→1u\to1,v→∞v\to\infty)
常用结果 (1+ax)x→ea(1+\frac ax)^{x}\to e^a;(1+ax)1x→ea(1+ax)^{\frac1x}\to e^a;(cos⁡x)1x2→e−12(\cos x)^{\frac{1}{x^2}}\to e^{-\frac12}
抓大头 同次比系数,分母高为 0,分子高为 ∞\infty
速度排序 x→+∞x\to+\infty:ln⁡x≪xα≪ax\ln x\ll x^\alpha\ll a^x(α>0,a>1\alpha>0,a>1)
陷阱 lim⁡x→∞sin⁡xx=0\lim\limits_{x\to\infty}\frac{\sin x}{x}=0;lim⁡x→∞xsin⁡1x=1\lim\limits_{x\to\infty}x\sin\frac1x=1;x2=∣x∣\sqrt{x^2}=\lvert x\rvert;1∞≠11^\infty\ne1
四步法 代入 → 判型 → 选方法 → 看方向

自测练习

1. 求 lim⁡x→0sin⁡5xsin⁡2x\lim\limits_{x\to0}\dfrac{\sin5x}{\sin2x}。

答案与提示

sin⁡5xsin⁡2x=sin⁡5x5x⋅2xsin⁡2x⋅5x2x→1⋅1⋅52=52\dfrac{\sin5x}{\sin2x}=\dfrac{\sin5x}{5x}\cdot\dfrac{2x}{\sin2x}\cdot\dfrac{5x}{2x}\to1\cdot1\cdot\dfrac52=\dfrac52。

2. 求 lim⁡x→01−cos⁡2xxsin⁡x\lim\limits_{x\to0}\dfrac{1-\cos2x}{x\sin x}。

答案与提示

1−cos⁡2x=2sin⁡2x1-\cos2x=2\sin^2x,原式 =lim⁡2sin⁡2xxsin⁡x=lim⁡2sin⁡xx=2=\lim\dfrac{2\sin^2x}{x\sin x}=\lim\dfrac{2\sin x}{x}=2。

3. 求 lim⁡x→0xcot⁡3x\lim\limits_{x\to0}x\cot3x。

答案与提示

xcot⁡3x=xcos⁡3xsin⁡3x=13⋅3xsin⁡3x⋅cos⁡3x→13⋅1⋅1=13x\cot3x=\dfrac{x\cos3x}{\sin3x}=\dfrac13\cdot\dfrac{3x}{\sin3x}\cdot\cos3x\to\dfrac13\cdot1\cdot1=\dfrac13。

4. 求 lim⁡x→∞(1−3x)2x\lim\limits_{x\to\infty}\left(1-\dfrac3x\right)^{2x}。

答案与提示

1∞1^\infty 型:(u−1)v=−3x⋅2x=−6(u-1)v=-\dfrac3x\cdot2x=-6,原式 =e−6=e^{-6}。

5. 求 lim⁡x→0(1+tan⁡x)2x\lim\limits_{x\to0}(1+\tan x)^{\frac2x}。

答案与提示

(u−1)v=tan⁡x⋅2x=2⋅tan⁡xx→2(u-1)v=\tan x\cdot\dfrac2x=2\cdot\dfrac{\tan x}{x}\to2,原式 =e2=e^2。

6. 求 lim⁡x→∞(x−1x+1)x\lim\limits_{x\to\infty}\left(\dfrac{x-1}{x+1}\right)^x。

答案与提示

u−1=−2x+1u-1=\dfrac{-2}{x+1},(u−1)v=−2xx+1→−2(u-1)v=\dfrac{-2x}{x+1}\to-2,原式 =e−2=e^{-2}。

7. 求 lim⁡x→∞2x3−x+15x3+x2\lim\limits_{x\to\infty}\dfrac{2x^3-x+1}{5x^3+x^2} 和 lim⁡x→+∞2x+3x3x+1\lim\limits_{x\to+\infty}\dfrac{2^x+3^x}{3^x+1}。

答案与提示

前者同次比系数:25\dfrac25。后者同除以 3x3^x:(23)x+11+3−x→0+11+0=1\dfrac{\left(\frac23\right)^x+1}{1+3^{-x}}\to\dfrac{0+1}{1+0}=1。

8.(略提高) 求 lim⁡x→−∞(x2+2x+x)\lim\limits_{x\to-\infty}\left(\sqrt{x^2+2x}+x\right)。

答案与提示

有理化:x2+2x+x=(x2+2x)−x2x2+2x−x=2xx2+2x−x\sqrt{x^2+2x}+x=\dfrac{(x^2+2x)-x^2}{\sqrt{x^2+2x}-x}=\dfrac{2x}{\sqrt{x^2+2x}-x}。x<0x<0 时 x2+2x=∣x∣1+2x=−x1+2x\sqrt{x^2+2x}=\lvert x\rvert\sqrt{1+\frac2x}=-x\sqrt{1+\frac2x},所以原式 =2x−x1+2x−x=2−1+2x−1→2−2=−1=\dfrac{2x}{-x\sqrt{1+\frac2x}-x}=\dfrac{2}{-\sqrt{1+\frac2x}-1}\to\dfrac{2}{-2}=-1。

下一讲预告

第 03 讲学习无穷小的比较和等价无穷小替换——考研算极限最常用、最省力的武器,并把极限计算方法做一次总结。

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