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 和 (1+□)1/□→e 两个"框架"算三角型和 1∞ 型极限,会用抓大头处理 ∞∞ 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 x→0limxsinx=1 及其推论(tanx、1−cosx、arcsinx)。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 x→∞lim(1+x1)x=e,以及 1∞ 型的万能公式 limuv=elim(u−1)v。
- ∞∞ 型抓大头:同次比系数,分母高为 0,分子高为无穷;lnx≪xα≪ax。
- 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−cosx=2sin22x、诱导公式)、uv=evlnu: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=0.01,sin0.01≈0.0099998,几乎就是 0.01。
图 1:第一个重要极限的样子:0 附近 sinx 和 x 几乎重合;xsinx 在 0 处虽然没有定义,但两边都趋于 1
公式:
x→0limxsinx=1.
推广形式(框架思维):只要"方框"趋于 0,
lim□sin□=1(□→0).
逐行拆解:三个"同":分子 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:
x→0limxtanx=1,x→0limx21−cosx=21,x→0limxarcsinx=1.
例 1 x→0limxsin3x。
解:凑成同一个"方框":xsin3x=3⋅3xsin3x。x→0 时 3x→0,3xsin3x→1。原式 =3。
例 2 x→0limxtanx。
解:xtanx=xsinx⋅cosx1→1⋅1=1。
例 3 x→0limx21−cosx。
解:
第一步,用第 01 讲的公式 1−cosx=2sin22x。
第二步,x22sin22x=4⋅(2x)22sin22x=21(2xsin2x)2。
第三步,括号里趋于 1,原式 =21。
例 4(陷阱) x→∞limxsinx 和 x→∞limxsinx1。
解:
- 第一个:x→∞ 时 sinx 不趋于 0,不符合"方框趋于 0"。用"有界 × 无穷小":∣sinx∣≤1,x1→0,所以极限是 0,不是 1。
- 第二个:令 t=x1,x→∞ 时 t→0,xsinx1=tsint→1。
⚠️ 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+21)2=2.25 元;结息次数越多钱越多,但有上限,上限就是 e≈2.718 元。
图 2:第二个重要极限的样子:(1+x1)x 在 x→±∞ 时都贴近水平线 y=e
公式(两种写法):
x→∞lim(1+x1)x=e,x→0lim(1+x)x1=e.
推广形式:只要 □→0,
lim(1+□)□1=e.
逐行拆解:这是"1∞ 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∞ 型的万能做法):若 limu=1,limv=∞,则
limuv=elim(u−1)v.
道理:uv=[1+(u−1)]u−11⋅(u−1)v,中括号部分趋于 e。
例 5 x→∞lim(1+x2)x。
解:
方法一(凑):(1+x2)x=[(1+x2)2x]2,中括号趋于 e,原式 =e2。
方法二(公式):u−1=x2,(u−1)v=x2⋅x=2,原式 =e2。
例 6 x→∞lim(1−x1)x。
解:(u−1)v=−x1⋅x=−1,原式 =e−1=e1。
例 7 x→0lim(1+3x)x1。
解:(u−1)v=3x⋅x1=3,原式 =e3。
例 8 x→∞lim(x−1x+1)x。
解:
第一步,底数 →1,指数 →∞,是 1∞ 型。
第二步,u−1=x−1x+1−1=x−12。
第三步,(u−1)v=x−12x→2。
所以原式 =e2。
1.3 易错点 ⚠️#
- ⚠️ 1∞ 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。
- ⚠️ x→0lim(1+x1)x 不是第二重要极限(这里 x1 不趋于 0),别乱套。
- ⚠️ 用公式前先确认:底数确实 →1,指数确实 →∞。
1.4 更多例题:第一个重要极限#
例 9 求 x→0limx3tanx−sinx。
解:
第一步,提出 tanx:tanx−sinx=tanx−tanxcosx=tanx(1−cosx)。
第二步,拆成两个熟悉的极限:x3tanx(1−cosx)=xtanx⋅x21−cosx。
第三步,xtanx→1,x21−cosx→21,两者都存在,可以相乘。
所以极限为 21。
例 10(方框不是 0 时先换元) 求 x→πlimx−πsinx。
解:
第一步,x→π 时 sinx→0,但 sinx 里的 x 不趋于 0,不能直接套公式。
第二步,换元:令 t=x−π,则 x=t+π,t→0。
第三步,sinx=sin(t+π)=−sint(诱导公式)。
第四步,原式 =t→0limt−sint=−1。
例 11 求 x→0limxarcsinx。
解:
第一步,令 t=arcsinx,则 x=sint,x→0 时 t→0。
第二步,原式 =t→0limsintt=1。
例 12(数列也能用) 求 n→∞limnsinnπ。
解:
第一步,n→∞ 时 nπ→0,方框是 nπ。
第二步,凑:nsinnπ=π⋅nπsinnπ→π⋅1=π。
(几何意义:圆内接正 n 边形周长的一半,n 越大越接近半圆周长 π。)
例 13 求 x→0limxsinx1−cosx。
解:xsinx1−cosx=x21−cosx⋅sinxx→21⋅1=21。
1.5 更多例题:第二个重要极限#
例 14 求 x→0lim(1−2x)x1。
解:
第一步,判型:底数 →1,指数 →∞,1∞ 型。
第二步,u−1=−2x,(u−1)v=−2x⋅x1=−2。
所以极限为 e−2。
例 15 求 x→0lim(cosx)x21。
解:
第一步,底数 cosx→1,指数 →+∞,1∞ 型。
第二步,(u−1)v=x2cosx−1=−x21−cosx→−21。
第三步,极限为 e−21=e1。
例 16 求 n→∞lim(1+n1)n+3。
解:
第一步,拆开:(1+n1)n+3=(1+n1)n⋅(1+n1)3。
第二步,前者 →e,后者 →13=1。
第三步,极限为 e。(用公式也一样:(u−1)v=nn+3→1。)
例 17 求 x→∞lim(x+1x+3)2x。
解:
第一步,u−1=x+1x+3−1=x+12。
第二步,(u−1)v=x+12⋅2x=x+14x→4。
第三步,极限为 e4。
例 18 求 x→0lim(1+sinx)x1。
解:(u−1)v=xsinx→1,极限为 e。
⚠️ 1∞ 型的公式 elim(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、∞∞ 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→∞ 时,3x2+2x 里 3x2 是"富翁",2x 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→∞ 时,设分子最高次为 m、系数 a0=0,分母最高次为 n、系数 b0=0:
x→∞limb0xn+b1xn−1+⋯a0xm+a1xm−1+⋯=⎩⎨⎧b0a0,0,∞,m=n,m<n,m>n.
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→+∞,后面的比前面的"大"得多):
lnx ≪ xα (α>0) ≪ ax (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 x→∞lim5x2−13x2+2x。
解:同除以 x2:5−x213+x2→53。
例 20 x→∞limx2+12x+1 和 x→∞limx2+1x3。
解:前者分母次数高,极限为 0;后者分子次数高,极限为 ∞(不存在)。
例 21 x→∞limx5+1(2x−1)3(x+2)2。
解:
第一步,分子展开后最高次项是 (2x)3⋅x2=8x5,不必真的展开。
第二步,分母最高次项 x5,同次,比系数:18=8。
例 22(陷阱:根号与方向) 求 x→+∞limx+1x2+1 与 x→−∞limx+1x2+1。
解:
第一步,关键:x2=∣x∣。x→+∞ 时 ∣x∣=x;x→−∞ 时 ∣x∣=−x。
第二步,x→+∞:同除以 x,1+x11+x21→1。
第三步,x→−∞:x2+1=∣x∣1+x21=−x1+x21,所以原式 =x+1−x1+x21=1+x1−1+x21→−1。
两个方向结果不同,所以 x→∞limx+1x2+1 不存在。
例 23(指数型) n→∞lim3n+1−2n3n+2n。
解:大头是 3n,同除以 3n:3−(32)n1+(32)n。因为 (32)n→0,极限为 31。
2.4 易错点 ⚠️#
- ⚠️ 抓大头只适用于 x→∞。x→0 时反而要看最低次项("抓小头"),别弄反。
- ⚠️ 含 x2、ex、arctanx 时,+∞ 和 −∞ 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 x→∞lim(x+1x2+1−x)。
解:
第一步,两项都 →∞,是 ∞−∞ 型,先通分:
x+1x2+1−x=x+1x2+1−x2−x=x+11−x.
第二步,同次,比系数:1−1=−1。
例 25(指数型大头) 求 x→+∞lim2ex−1ex+x。
解:
第一步,x→+∞ 时 ex 比 x 大得多,大头是 ex。
第二步,同除以 ex:2−e−x1+xe−x。
第三步,e−x→0;xe−x=exx→0(速度排序:指数远快于幂)。
第四步,极限为 2−01+0=21。
例 26(有界项不影响大头) 求 x→∞limxx+sinx。
解:xx+sinx=1+xsinx,而 xsinx→0(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#
- 先代入:把 x0(或 ∞)代进去看看。能直接算出有限数,且分母不为 0,就结束了。
- 判类型:算不出来时,看它是 00、∞∞、∞−∞ 还是 1∞。
- 选方法:
- 00 且是多项式或根式:因式分解、有理化;含三角函数:往 □sin□ 上凑。
- ∞∞:抓大头,同除以最大的那一项。
- ∞−∞:通分或有理化,化成分式。
- 1∞:用 elim(u−1)v。
- n 项和、递推数列:夹逼或单调有界。
- 看方向:有没有 ∣x∣、ex1、arctanx1、x2、分段函数?有就分左右(或分 ±∞)。
3.3 例题:综合走一遍#
例 27 求 x→0limsinx1+x−1−x。
解:
第一步,代入:分子 1−1=0,分母 sin0=0,是 00 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:
sinx1+x−1−x=sinx(1+x+1−x)(1+x)−(1−x)=sinx(1+x+1−x)2x.
第三步,拆成两部分:sinxx→1,1+x+1−x2→1+12=1。
第四步,两部分极限都存在,可以相乘:原式 =1×1=1。
例 28 求 x→+∞lim(x2+x−x)。
解:
第一步,代入是 ∞−∞ 型。
第二步,有理化(把它看成分母为 1 的分式):
x2+x−x=x2+x+x(x2+x)−x2=x2+x+xx.
第三步,变成 ∞∞ 型,抓大头,同除以 x(x>0,x2=x):1+x1+11→21。
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→−∞,x2=−x,结论完全不同(此时 x2+x−x→+∞),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(□→0,分子分母的方框一模一样) |
| 推论 |
xtanx→1;xarcsinx→1;x21−cosx→21(x→0) |
| 方框不趋于 0 |
先换元,如 x→π 时令 t=x−π |
| 第二重要极限 |
lim(1+□)1/□=e(□→0) |
| 1∞ 万能式 |
limuv=elim(u−1)v(u→1,v→∞) |
| 常用结果 |
(1+xa)x→ea;(1+ax)x1→ea;(cosx)x21→e−21 |
| 抓大头 |
同次比系数,分母高为 0,分子高为 ∞ |
| 速度排序 |
x→+∞:lnx≪xα≪ax(α>0,a>1) |
| 陷阱 |
x→∞limxsinx=0;x→∞limxsinx1=1;x2=∣x∣;1∞=1 |
| 四步法 |
代入 → 判型 → 选方法 → 看方向 |
自测练习#
1. 求 x→0limsin2xsin5x。
答案与提示
sin2xsin5x=5xsin5x⋅sin2x2x⋅2x5x→1⋅1⋅25=25。
2. 求 x→0limxsinx1−cos2x。
答案与提示
1−cos2x=2sin2x,原式 =limxsinx2sin2x=limx2sinx=2。
3. 求 x→0limxcot3x。
答案与提示
xcot3x=sin3xxcos3x=31⋅sin3x3x⋅cos3x→31⋅1⋅1=31。
4. 求 x→∞lim(1−x3)2x。
答案与提示
1∞ 型:(u−1)v=−x3⋅2x=−6,原式 =e−6。
5. 求 x→0lim(1+tanx)x2。
答案与提示
(u−1)v=tanx⋅x2=2⋅xtanx→2,原式 =e2。
6. 求 x→∞lim(x+1x−1)x。
答案与提示
u−1=x+1−2,(u−1)v=x+1−2x→−2,原式 =e−2。
7. 求 x→∞lim5x3+x22x3−x+1 和 x→+∞lim3x+12x+3x。
答案与提示
前者同次比系数:52。后者同除以 3x:1+3−x(32)x+1→1+00+1=1。
8.(略提高) 求 x→−∞lim(x2+2x+x)。
答案与提示
有理化:x2+2x+x=x2+2x−x(x2+2x)−x2=x2+2x−x2x。x<0 时 x2+2x=∣x∣1+x2=−x1+x2,所以原式 =−x1+x2−x2x=−1+x2−12→−22=−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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