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利用泰勒多项式计算实函数极限 | 实分析

利用泰勒多项式计算实函数极限 | 实分析

嘿,我完全懂用泰勒多项式算极限时处理余项的那种繁琐感——尤其是刚上手的时候,很容易摸不清该展开到哪一阶、怎么处理那些余项。咱们先从你给的这个例子一步步拆解,再总结通用技巧,应该能帮你理清思路。

先解决你给出的具体极限

咱们的目标是计算:
$$ \lim_{x \to 0} \frac{e{x}-e{-x}-2x}{\sin(x)-x}$$

步骤1:确定需要展开的阶数

首先这是0/0型不定式(x→0时分子分母都为0),我们需要把每个函数展开到分子分母中第一个不抵消的最低阶非零项对应的阶数。先预判一下:

  • 分子里的$ex$和$e{-x}$,它们的x项会是$x$和$-x$,加起来是$2x$,减去$2x$就抵消了;x²项是$\frac{x2}{2}$和$\frac{x2}{2}$,相减也会抵消;直到x³项才会留下非零项。
  • 分母里的$\sin x$和$x$,x项直接抵消,x³项会留下非零项。
    所以我们把所有函数展开到$x^3$阶就足够了。

步骤2:写出各函数的泰勒展开(带佩亚诺余项)

佩亚诺余项$o(xk)$表示比$xk$高阶的无穷小,在x→0时会趋近于0,非常适合极限计算:

  • $e^x = 1 + x + \frac{x^2}{2!} + \frac{x^3}{3!} + o(x^3) = 1 + x + \frac{x^2}{2} + \frac{x^3}{6} + o(x^3)$
  • $e^{-x} = 1 - x + \frac{x^2}{2} - \frac{x^3}{6} + o(x3)$(把$ex$里的x换成-x即可)
  • $\sin x = x - \frac{x^3}{3!} + o(x^3) = x - \frac{x^3}{6} + o(x^3)$

步骤3:代入分子分母并化简

  • 分子化简:
    $$
    \begin{align*}
    e^x - e^{-x} - 2x &= \left(1 + x + \frac{x^2}{2} + \frac{x^3}{6} + o(x^3)\right) - \left(1 - x + \frac{x^2}{2} - \frac{x^3}{6} + o(x^3)\right) - 2x \
    &= (1-1) + (x+x-2x) + \left(\frac{x2}{2}-\frac{x2}{2}\right) + \left(\frac{x3}{6}+\frac{x3}{6}\right) + o(x^3) \
    &= \frac{x^3}{3} + o(x^3)
    \end{align*}
    $$
  • 分母化简:
    $$
    \sin x - x = \left(x - \frac{x^3}{6} + o(x^3)\right) - x = -\frac{x^3}{6} + o(x^3)
    $$

步骤4:计算极限

把化简后的分子分母代入原极限,同时除以$x^3$(x→0时x≠0,合法):
$$
\lim_{x \to 0} \frac{\frac{x^3}{3} + o(x3)}{-\frac{x3}{6} + o(x^3)} = \lim_{x \to 0} \frac{\frac{1}{3} + \frac{o(x3)}{x3}}{-\frac{1}{6} + \frac{o(x3)}{x3}}
$$
根据佩亚诺余项的定义,$\lim_{x \to 0} \frac{o(xk)}{xk} = 0$,所以最终极限为:
$$
\frac{\frac{1}{3} + 0}{-\frac{1}{6} + 0} = -2
$$


通用技巧帮你快速上手

  • 先预判展开阶数,避免无用功
    先看x→0时分子分母的初始值,如果是0/0型,就从低阶开始试展开:先展开到x¹阶,看是否抵消;如果抵消就试x²阶,直到找到第一个不抵消的非零项为止。核心逻辑:极限的结果由分子分母的最低阶非零项决定,更高阶的项在最后会被消掉。

  • 优先用佩亚诺余项
    计算x→a(尤其是a=0)的极限时,佩亚诺余项比拉格朗日余项更简洁——我们不需要知道余项的具体值,只需要知道它是更高阶的无穷小就行。

  • 牢记常用函数的泰勒展开(至少到x⁵阶)
    把这些基础展开式记熟,能节省大量推导时间:

    • $e^x = 1 + x + \frac{x^2}{2} + \frac{x^3}{6} + \frac{x^4}{24} + \frac{x^5}{120} + o(x^5)$
    • $\sin x = x - \frac{x^3}{6} + \frac{x^5}{120} + o(x^5)$
    • $\cos x = 1 - \frac{x^2}{2} + \frac{x^4}{24} + o(x^4)$
    • $\ln(1+x) = x - \frac{x^2}{2} + \frac{x^3}{3} - \frac{x^4}{4} + o(x^4)$
    • $(1+x)^α = 1 + αx + \frac{α(α-1)}{2}x^2 + o(x^2)$
  • 化简时只关注最低阶非零项
    代入展开式后,先合并同类项,把抵消的项去掉,剩下的最低阶非零项就是关键,更高阶的余项直接带着就行,最后求极限时它们会趋近于0。

备注:内容来源于stack exchange,提问作者X4J

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