使用泰勒级数求解单侧极限的错误排查求助
我遇到了一个必须用泰勒级数求解的单侧极限,但一直找不到自己哪里错了,也搞不懂正确结果是怎么来的...
需要求解的极限是:
$$\lim_{x\to 0^+} \frac{\ln(1 + \sqrt{1-\cos(x)})}{1-e^{\sin(3x)}}$$
已知正确结果是 $-\frac{1}{3\sqrt{2}}$。
下面是我自己的推导过程,虽然感觉一团糟但还是列出来了:
首先处理分母,我对指数函数展开,再对其自变量展开到二阶:
$$
\begin{align}
e^{\sin(3x)} & = 1 + \sin(3x) + \frac{1}{2}\sin^2(3x) + o(\sin^2(3x)) \\
& = 1 + \left[3x + o(x^2)\right] + \frac{1}{2}\left[x + o(x)\right]^2 + o (x^2) \\
& = 1 + 3x + \frac{1}{2}x^2 + o(x^2)
\end{align}
$$
接下来处理分子的对数,我用了对数的泰勒展开:
$$
\begin{align}
\ln(1 + \sqrt{1-\cos(x)}) = \sqrt{1-\cos(x)} - \frac{1}{2}(1-\cos(x)) + o(1-\cos(x))
\end{align}
$$
然后我尝试用$(1 + z)^{\alpha}$(其中$\alpha = 1/2$)的展开式,最后再展开余弦函数:
$$
\begin{align}
& \Big(1 - \frac{1}{2}\cos(x) + \frac{3}{8}\cos^2(x) + o(\cos^2(x))\Big) - \frac{1}{2} + \frac{1}{2}\cos(x) + o(x^2) \\
& = \frac{1}{2} + \frac{3}{8}\cos^2(x) + o(x^2) \\
& = \frac{1}{2} + \frac{3}{8}\left(1 - \frac{x^2}{2} + o(x2)\right)2 + o(x^2) \\
& = \frac{1}{2} + \frac{3}{8} \left(1 - x^2 + o(x^2)\right) \\
& = \frac{7}{8} + \frac{3x^2}{8} + o(x^2)
\end{align}
$$
把推导结果代入极限式后:
$$\lim_{x\to 0^+} \frac{\ln(1 + \sqrt{1-\cos(x)})}{1-e^{\sin(3x)}} = \lim_{x\to 0^+} \frac{\frac{7}{8} + \frac{3x^2}{8} + o(x^2)}{-3x - \frac{1}{2}x^2 + o(x^2)}$$
我用了小o代数的规则,提取$x^2$整理:
$$\lim_{x\to 0^+} \frac{x2\left(\frac{7}{8x2} + 3 + \frac{o(x2)}{x2}\right)}{x^2 \left(-\frac{3}{x} - \frac{1}{2} + \frac{o(x2)}{x2}\right)} = \lim_{x\to 0^+} \frac{\frac{7}{8x^2} + 3}{-\frac{3}{x}-\frac{1}{2}} = \lim_{x\to 0^+} \frac{\frac{7 + 24 x2}{8x2}}{\frac{-6-x}{2x}}$$
显然这个结果和正确答案$-\frac{1}{3\sqrt{2}}$完全对不上,我已经试了七八次了,每次都得到错误的结果。
有没有人能帮我找出问题所在?谢谢!
备注:内容来源于stack exchange,提问作者Heidegger

