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不使用洛必达法则求解函数极限的技术咨询

不使用洛必达法则求解函数极限的技术咨询

嘿,我来帮你搞定这个不用洛必达法则求极限的问题!咱们一步步来,用你允许的工具——序列极限规则、夹逼定理和$e^x$的级数展开就行~

首先,先回忆双曲正弦函数的定义:$\sinh(x) = \frac{e^x - e^{-x}}{2}$,这是基础公式,不用依赖洛必达法则。我们可以把原式拆成三个分式的和,利用极限的加法法则(只要每个分项的极限都存在,总和的极限就等于各分项极限之和):

$$\lim_{x\to\infty} \left( \frac{\sinh(x)}{e^x} + \frac{x}{e^x} + \frac{x \ln(x)}{e^x} \right)$$

接下来咱们逐个计算每个分项的极限:

1. 计算$\frac{\sinh(x)}{e^x}$的极限

把$\sinh(x)$的定义代入进去:
$$\frac{\sinh(x)}{e^x} = \frac{e^x - e{-x}}{2ex} = \frac{1}{2} - \frac{e^{-2x}}{2}$$
当$x\to\infty$时,$e^{-2x} = \frac{1}{e{2x}}$会趋向于0(毕竟指数函数$e{2x}$随着x增大疯长到无穷大),所以这个分项的极限就是$\frac{1}{2}$。

2. 计算$\frac{x}{e^x}$的极限

这里咱们用$ex$的级数展开:$ex = \sum_{n=0}^{\infty} \frac{x^n}{n!}$。当$x>0$时,级数里每一项都是正数,所以我们可以取后面的项来放缩,比如取第三项($n=3$):
$$e^x > \frac{x^3}{3!} = \frac{x^3}{6}$$
这样一来,当$x>0$时就有:
$$0 < \frac{x}{e^x} < \frac{x}{\frac{x^3}{6}} = \frac{6}{x^2}$$
当$x\to\infty$时,$\frac{6}{x2}$明显趋向于0,根据夹逼定理,$\frac{x}{ex}$的极限就是0。

3. 计算$\frac{x \ln(x)}{e^x}$的极限

同样用$ex$的级数展开来放缩,还是用$ex > \frac{x^3}{6}$,所以:
$$0 < \frac{x \ln(x)}{e^x} < \frac{x \ln(x)}{\frac{x^3}{6}} = \frac{6 \ln(x)}{x^2}$$
现在需要证明$\lim_{x\to\infty} \frac{\ln(x)}{x^2} = 0$:
当$x>4$时,$\ln(x) < x{1/2}$(你可以验证下,比如函数$f(x)=x{1/2}-\ln(x)$,当x>4时导数为正,且$f(4)=2-\ln4>0$,所以x足够大时根号x比lnx大),因此:
$$0 < \frac{\ln(x)}{x^2} < \frac{x{1/2}}{x2} = \frac{1}{x^{3/2}}$$
当$x\to\infty$时,$\frac{1}{x{3/2}}$趋向于0,再用夹逼定理,$\frac{\ln(x)}{x2}$的极限是0,那$\frac{6 \ln(x)}{x^2}$的极限自然也是0,所以$\frac{x \ln(x)}{e^x}$的极限就是0。

最后把三个分项的极限加起来:$\frac{1}{2} + 0 + 0 = \frac{1}{2}$,所以原式的极限就是$\frac{1}{2}$。

备注:内容来源于stack exchange,提问作者thejustin348

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