一文彻底搞懂拉格朗日中值定理秒杀复杂极限问题(内含高级秒杀结论)

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一文彻底搞懂拉格朗日中值定理秒杀复杂极限问题(内含高级秒杀结论)

2024-07-10 22:07:40| 来源: 网络整理| 查看: 265

懂不懂拉式中值,在解极限的时候,是两重境界。用一个例题来体会,自行感受。

题目: lim ⁡ x → 0 c o s ( s i n x ) − c o s x x 4 \lim_{x \rightarrow 0}{\frac{cos(sinx)-cosx}{x^{4}}} limx→0​x4cos(sinx)−cosx​ 当你不会拉式中值的时候,你的解答如下:

在这里插入图片描述

可见不用拉式中值的解答,又臭又长!

但是当你会拉式中值时,你的解答是这样: 在这里插入图片描述 运用拉式中值解决极限 三步解决问题它不香么?别人还在写的时候,我的结果都已经口算出来了! 那么这种化劲是怎么练出来的?学长就带你研究!!!

对于数学中的性质和公式,一般我们从三个方面去思考:

1.这个公式是什么(本质); 2.这个公式什么时候用; 3.这个公式怎么用。

1.这个公式是什么

首先回归定理:

f ( x 1 ) − f ( x 2 ) = f ′ ( ξ ) ( x 1 − x 2 ) f(x_{1})-f(x_{2})=f'(\xi)(x_{1}-x_{2}) f(x1​)−f(x2​)=f′(ξ)(x1​−x2​),其中 ξ \xi ξ介于 x 1 x_{1} x1​与 x 2 x_{2} x2​之间 上式 x 1 、 x 2 x_{1}、x_{2} x1​、x2​ 是个数,如果推广为函数呢? f [ g ( x ) ] − f [ h ( x ) ] = f ′ ( ξ ) [ g ( x ) − h ( x ) ] f[g(x)]-f[h(x)]=f'(\xi)[g(x)-h(x)] f[g(x)]−f[h(x)]=f′(ξ)[g(x)−h(x)],其中 ξ \xi ξ介于 g ( x ) g(x) g(x)与 h ( x ) h(x) h(x)之间 这就是上面应用拉氏中值求极限的核心:两个复合函数作差变成了内层函数作差,这就相当于将原来的两个复合函数的皮(外层函数f相当于皮)给剥掉了。这样的话,就能起到化繁为简的目的,这就是拉氏中值。

2.什么情况下用?

公式中有两处细节:a.复合函数作差;b.外层函数一致。所以,满足这两个条件,就可以马上掏出拉氏中值试一试。

看到什么想到什么?

3.怎么用?

数学做题的过程就是化繁为简,变未知到已知的过程。我们还是从第一点拉氏中值的本质入手,观察下这个式子:

拉式中值处理复合函数作差

我们最终是通过拉氏中值转化到右边的式子,如果右边的式子可以求出来,那么我们的工作就完成了,拉氏中值也完成了它得使命。但是可不可以求出来呢?我们观察一下:右边式子中 f ′ ( x ) , g ( x ) , h ( x ) f'(x),g(x),h(x) f′(x),g(x),h(x) 都是可以找出来或者求出来,而参数 ξ \xi ξ却让人为难,我们只知道参数 ξ \xi ξ的一个范围,但是具体是多少不一定清楚。所以这里就是一个关键问题,也是衡量拉氏中值能不能顺利做下去的命门:参数搞不搞的定! 那么参数如何搞定呢?一般有两个思路:a.夹逼定理;b.等价于某个关于x的式子。

a.夹逼定理:

我们知道了参数 ξ \xi ξ的一个范围,它是在 g ( x ) g(x) g(x) 和 h ( x ) h(x) h(x) 之间,假设 g ( x ) ≥ h ( x ) g(x)\geq h(x) g(x)≥h(x) ,那么就有 h ( x ) ≤ ξ ≤ g ( x ) h(x)\leq \xi\leq g(x) h(x)≤ξ≤g(x) ,是不是有点夹逼定理的味道了?如果取极限后 g ( x ) g(x) g(x) 和 h ( x ) h(x) h(x)相等,那么参数 ξ \xi ξ就可以夹出来了。

夹逼?夹参数!!

话不多说,直接上题,彻底搞定这个思路:

利用夹逼定理求参数

本题中 g ( x ) g(x) g(x)和 h ( x ) h(x) h(x)都趋近于1,因此通过夹逼定理得到参数 ξ \xi ξ也趋近于1,然后直接带进 f ′ ( x ) f'(x) f′(x)中(代入后不为∞也不为0),就可以正常解出这个极限。 所以有本方法的适用范围: g ( x ) g(x) g(x)和 h ( x ) h(x) h(x)都趋近于 x 0 x_{0} x0​ ,同时 lim ⁡ x → x 0 f ′ ( x ) \lim_{x \rightarrow x_{0}}f'(x) limx→x0​​f′(x)存在且不为0。 不适用范围:如果 g ( x ) g(x) g(x)和 h ( x ) h(x) h(x)都趋近于0(或∞),且 lim ⁡ x → 0 ( 或 ∞ ) f ′ ( x ) \lim_{x \rightarrow 0(或∞)}{f'(x)} limx→0(或∞)​f′(x) 为 ∞ ∞ ∞或者 0 0 0,这时候夹逼定理得参数 ξ \xi ξ的值就不再适用了,尝试使用方法b搞。

b.等价于某个关于x的式子:

适用于:当内层函数趋近于0,同时 x → 0 , f ′ ( x ) ~ m x k x \rightarrow 0,f'(x)~mx^{k} x→0,f′(x)~mxk (其中 m , k m,k m,k为非0常数) 或者当内层函数趋近于∞,同时 x → ∞ , f ′ ( x ) ~ m x k x \rightarrow ∞,f'(x)~mx^{k} x→∞,f′(x)~mxk (其中m,k为非0常数)

上述条件看似很严格,但是所幸在考研极限题目中,基本上都是满足的,本文所选取的极限也是满足的。所以其作为一个隐含条件在过程中就没有体现。严谨的小伙伴可以在用该方法求极限之前稍微判定一下。

该方法如何做?

如果 h ( x ) h(x) h(x) 和 g ( x ) g(x) g(x) 的极限趋近于无穷或者趋近于0,则需要判断一下 lim ⁡ x → x 0 h ( x ) g ( x ) \lim_{x \rightarrow x_{0}}{\frac{h(x)}{g(x)}} limx→x0​​g(x)h(x)​ 是否为1?如果是1。就可以将参数 ξ \xi ξ等价于一个函数,再带入求极限。而这个函数处于 h ( x ) h(x) h(x) 和 g ( x ) g(x) g(x)之间就可以。抽象?直接上题。 在这里插入图片描述

一道简单的拉式中值,判定结果为1之后运用等价求参数 这道题看见两个内层函数趋近于无穷,所以我们判定 lim ⁡ x → x 0 h ( x ) g ( x ) = 1 \lim_{x \rightarrow x_{0}}{\frac{h(x)}{g(x)}}=1 limx→x0​​g(x)h(x)​=1 后,就可以把参数等价为 x 2 x^{2} x2 ,进而得出结果。(本文开头的题目也是这样的思路)。也许你疑惑:为什么这样判定?判定后为啥可以这样设?

数学证明来解释这一点:

1.首先证明参数 ξ 和 h ( x ) 与 g ( x ) \xi 和 h(x) 与 g(x) ξ和h(x)与g(x) 之间的函数等价:

证明1

2.再证明 f ′ ( ξ ) f'(\xi) f′(ξ) 与 f ′ ( y ( x ) ) f'(y(x)) f′(y(x)) 等价(其中 y ( x ) y(x) y(x) 为 h ( x ) h(x) h(x) 与 g ( x ) g(x) g(x) 之间的函数):

证明2

注:若此时 h ( x ) h(x) h(x)和 g ( x ) g(x) g(x)趋近于∞,证法相似。 如果找不到介于 h ( x ) h(x) h(x) 和 g ( x ) g(x) g(x) 之间的函数,可以直接令 f ′ ( ξ ) f'(\xi) f′(ξ)等价于 f ′ ( g ( x ) ) f'(g(x)) f′(g(x)) 或 f ′ ( h ( x ) ) f'(h(x)) f′(h(x)) 。 于是就有了如下精简拉氏中值秒杀结论:

拉格朗日中值秒杀极限结论

补充两点:

1.对于数列极限,也可以运用拉氏中值求解,只不过需要在运用之前将数列转变为函数,即 n → x n\rightarrow x n→x ,即可。 2.方法b及相应的结论在计算小题时,可以快速得到答案;对于大题而言,可以用这个方法及结论快速判断能否用拉氏中值,同时可以利用这个方法快速验算自己的结果。如果想要在大题中使用方法b,则具体步骤要写的详细一点(利用夹逼定理),如下例题。 在这里插入图片描述

总结一下:

1.看见复合函数相减(有些相加可以通过变形变成相减)就要考虑到拉式中值。 2.并不是所有复合函数相减都能用拉式中值,主要看参数能不能求出来。 3.求出参数的方法有两种,一个是夹逼定理;一个就是将参数等价为关于x的式子。 趁热打铁:

1. lim ⁡ x → ∞ x 2 ( a r c t a n a x − a r c t a n a x + 1 ) \lim_{x \rightarrow \infty}{x^{2}(arctan\frac{a}{x}-arctan\frac{a}{x+1})} limx→∞​x2(arctanxa​−arctanx+1a​) 其中a大于0 2. lim ⁡ x → 2 5 x − 1 − 2 x + 5 x 2 − 4 \lim_{x \rightarrow 2}{\frac{\sqrt{5x-1}-\sqrt{2x+5}}{x^{2}-4}} limx→2​x2−45x−1 ​−2x+5 ​​ 3. lim ⁡ x → 0 l n ( 1 + x 2 ) − l n ( 1 + s i n 2 x ) x 4 \lim_{x \rightarrow 0}\frac{ln(1+x^{2})-ln(1+sin^{2}x)}{x^{4}} limx→0​x4ln(1+x2)−ln(1+sin2x)​

到此结束~ 我是煜神学长,考研我们一起加油!!!

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