考研数学 零基础29堂课 高等数学

第一堂课 函数、极限与连续

第一节 函数


  • 【原题】
    • 设 f(x)={2,∣x∣⩽2,0,∣x∣>2,f(x) = \begin{cases} 2, & |x| \leqslant 2, \\ 0, & |x| > 2, \end{cases} 则 f{f[f(x)]}f\{f[f(x)]\} 等于 ‾\underline{\quad \quad \quad \quad \quad} .
  • 【解题】
    • 题目类型:复合函数求值题(分段函数的三层复合)
    • 解答:
      • ① 分析最内层 f(x)f(x) 的取值情况:
        • 由分段定义,f(x)f(x) 只可能取两个值:
          • 当 ∣x∣⩽2|x| \leqslant 2 时,f(x)=2f(x) = 2
          • 当 ∣x∣>2|x| > 2 时,f(x)=0f(x) = 0
        • 所以对任意实数 xx,f(x)∈{2,0}f(x) \in \{2, 0\}
      • ② 计算第二层 f[f(x)]f[f(x)]:
        • 情形一:若 f(x)=2f(x) = 2,则 f[f(x)]=f(2)f[f(x)] = f(2)。因为 ∣2∣=2⩽2|2| = 2 \leqslant 2,属于第一段,所以 f(2)=2f(2) = 2
        • 情形二:若 f(x)=0f(x) = 0,则 f[f(x)]=f(0)f[f(x)] = f(0)。因为 ∣0∣=0⩽2|0| = 0 \leqslant 2,属于第一段,所以 f(0)=2f(0) = 2
        • 两种情形结果相同,故对任意 xx,f[f(x)]=2f[f(x)] = 2
      • ③ 计算最外层 f{f[f(x)]}f\{f[f(x)]\}:
        • 由②知 f[f(x)]=2f[f(x)] = 2,故 f{f[f(x)]}=f(2)f\{f[f(x)]\} = f(2)
        • 因为 ∣2∣=2⩽2|2| = 2 \leqslant 2,属于第一段,所以 f(2)=2f(2) = 2
    • 最终答案:
      • 22
  • 【学习模块】
    • 本题题目:
      • 设 f(x)={2,∣x∣⩽2,0,∣x∣>2,f(x) = \begin{cases} 2, & |x| \leqslant 2, \\ 0, & |x| > 2, \end{cases} 则 f{f[f(x)]}f\{f[f(x)]\} 等于 ‾\underline{\quad \quad \quad \quad \quad} .
    • 知识点大纲:
      • 主流程:分段函数 → 值域分析(f(x)∈{0,2}f(x) \in \{0, 2\})→ 复合函数由内向外逐层代入 → 22
      • 复合函数:先算最内层 f(x)f(x) → 再算第二层 f[f(x)]f[f(x)] → 最后算最外层 f{f[f(x)]}f\{f[f(x)]\} → 22
    • 第1步:先弄清题目要我们做什么
      • 思路:ff 是一个分段函数,题目要算它的三层复合 f{f[f(x)]}f\{f[f(x)]\},也就是 f(f(f(x)))f(f(f(x)))——把 xx 依次代入 ff 三次
      • 知识点铺垫(什么是复合函数):
        • 严谨定义:设 y=g(u)y = g(u),u=h(x)u = h(x),则 y=g(h(x))y = g(h(x)) 称为 gg 与 hh 的复合函数;计算时必须先算内层 h(x)h(x),再把结果作为输入代入外层 gg
        • 通俗讲解:复合函数像"套娃"一样一层套一层;算的时候从最里面的那层开始,一层一层往外算
        • 生活类比:冬天叠穿三件衣服——先穿最里面的保暖内衣,再套毛衣,最后套外套;顺序反了就会出错
      • 易错点:必须先算最内层的 f(x)f(x),不能从最外层开始;f{f[f(x)]}f\{f[f(x)]\} 是三次函数代入,不是乘法
    • 第2步:读懂分段函数的规则
      • 思路:搞清楚 ff 对任意输入 uu 的取值规则,这是整道题的"游戏规则"
      • 知识点(分段函数):
        • 严谨定义:分段函数是在不同区间上由不同表达式定义的函数。本题:f(u)=2f(u) = 2(当 ∣u∣⩽2|u| \leqslant 2),f(u)=0f(u) = 0(当 ∣u∣>2|u| > 2)
        • 通俗讲解:把输入 uu 放进一个判断题:"∣u∣|u| 是否不大于 2?"——是,输出 2;否,输出 0。就这一个规则
      • 计算(记下两个关键输入值的结果):
        • 输入 22:∣2∣=2⩽2|2| = 2 \leqslant 2,属于第一段 → f(2)=2f(2) = 2
        • 输入 00:∣0∣=0⩽2|0| = 0 \leqslant 2,属于第一段 → f(0)=2f(0) = 2
        • 边界 x=±2x = \pm 2 满足 ∣x∣=2⩽2|x| = 2 \leqslant 2,带等号,归第一段
      • 易错点:边界点 ∣x∣=2|x| = 2 算在"⩽2\leqslant 2"这一边,不要漏掉等号——本题正是靠 f(2)=2f(2) = 2 而非 0 出结果
    • 第3步:分析最内层 f(x)f(x) 能取哪些值
      • 思路:虽然 xx 可以任意取值,但 f(x)f(x) 的输出只有两种可能,抓住这一点后面就好办了
      • 知识点(值域分析):
        • 严谨定义:函数的值域是所有可能输出值的集合。本题 ff 的输出只能是 2 或 0,故值域为 {2,0}\{2, 0\}
        • 通俗讲解:不管输入 xx 是什么,ff 这台"机器"只吐两种结果:2 或者 0
      • 计算(分类列出):
        • 若 ∣x∣⩽2|x| \leqslant 2,则 f(x)=2f(x) = 2
        • 若 ∣x∣>2|x| > 2,则 f(x)=0f(x) = 0
        • 故对任意 xx:f(x)∈{2,0}f(x) \in \{2, 0\}
      • 结论:最内层的结果只有 2 和 0 两种,接下来只需分别代入
    • 第4步:算第二层 f[f(x)]f[f(x)]
      • 思路:把 f(x)f(x) 的结果(2 或 0)当作新的输入,再代回 ff 判断一次
      • 计算(分类讨论的完整过程):
        • 情形一:f(x)=2f(x) = 2 时,f[f(x)]=f(2)f[f(x)] = f(2)。由第2步,∣2∣=2⩽2|2| = 2 \leqslant 2,故 f(2)=2f(2) = 2
        • 情形二:f(x)=0f(x) = 0 时,f[f(x)]=f(0)f[f(x)] = f(0)。由第2步,∣0∣=0⩽2|0| = 0 \leqslant 2,故 f(0)=2f(0) = 2
        • 两种情形结果相同:对任意 xx,f[f(x)]=2f[f(x)] = 2
      • 易错点:f[f(x)]f[f(x)] 是"把 f(x)f(x) 的值代进 ff",千万不要理解成 [f(x)]2[f(x)]^2;代入后要回到分段定义判断 ∣u∣|u| 与 2 的大小
    • 第5步:算最外层 f{f[f(x)]}f\{f[f(x)]\}
      • 思路:第二层的结果恒为 2,把它作为最外层的输入,再判断一次
      • 计算(代入最外层的完整过程):
        • f{f[f(x)]}=f(2)f\{f[f(x)]\} = f(2)(因为 f[f(x)]=2f[f(x)] = 2)
        • 判断:∣2∣=2⩽2|2| = 2 \leqslant 2,属于第一段 → f(2)=2f(2) = 2
      • 结论:f{f[f(x)]}=2f\{f[f(x)]\} = 2(对任意实数 xx 恒成立)
      • 易错点:代入后必须回到分段函数定义重新判断,不能想当然;∣2∣=2|2| = 2 满足 ⩽2\leqslant 2,所以结果是 2 而不是 0
    • 全题知识地图(回顾):
      • 分段函数(值域只有 {0,2}\{0, 2\})→ 复合函数由内向外(f(x)f(x) → f[f(x)]f[f(x)] → f{f[f(x)]}f\{f[f(x)]\})→ 每一层都判断 ∣输入∣|输入| 与 2 的大小 → 22
    • 最终答案:
      • 22

  • 【原题】
  • 已知 f(x)={ln⁡x,x⩾1,x+2,x<1,f(x) = \begin{cases} \ln x, & x \geqslant 1, \\ x+2, & x < 1, \end{cases},g(x)={e−x,x<0,−x2+1,x⩾0,g(x) = \begin{cases} \mathrm{e}^{-x}, & x < 0, \\ -x^2+1, & x \geqslant 0, \end{cases} 求 f[g(x)]f[g(x)],g[f(x)]g[f(x)]
  • 【解题】
    • 题目类型:复合函数求值题(两个分段函数互相复合,分段点需重新划分)
    • 解答:
      • ① 明确 ff、gg 各自的分段阈值:
        • ff 的输入 u⩾1u \geqslant 1 时用 ln⁡u\ln u;u<1u < 1 时用 u+2u + 2
        • gg 的输入 v<0v < 0 时用 e−v\mathrm{e}^{-v};v⩾0v \geqslant 0 时用 −v2+1-v^2 + 1
      • ② 求 f[g(x)]f[g(x)]:
        • 关键问题:g(x)g(x) 何时 ⩾1\geqslant 1、何时 <1< 1(因为 ff 的阈值是 1)
        • 当 x<0x < 0 时:g(x)=e−x>e0=1g(x) = \mathrm{e}^{-x} > \mathrm{e}^{0} = 1,即 g(x)>1g(x) > 1 恒成立
        • 当 x⩾0x \geqslant 0 时:g(x)=−x2+1⩽1g(x) = -x^2 + 1 \leqslant 1,且 g(x)=1  ⟺  x=0g(x) = 1 \iff x = 0
        • 综合得:g(x)⩾1  ⟺  x⩽0g(x) \geqslant 1 \iff x \leqslant 0;g(x)<1  ⟺  x>0g(x) < 1 \iff x > 0
        • 当 x⩽0x \leqslant 0 时:f[g(x)]=ln⁡(g(x))=ln⁡(e−x)=−xf[g(x)] = \ln(g(x)) = \ln(\mathrm{e}^{-x}) = -x(其中 x=0x = 0 时 ln⁡1=0=−0\ln 1 = 0 = -0,两分支写法合并一致)
        • 当 x>0x > 0 时:f[g(x)]=g(x)+2=(−x2+1)+2=3−x2f[g(x)] = g(x) + 2 = (-x^2 + 1) + 2 = 3 - x^2
        • 故 f[g(x)]={−x,x⩽0,3−x2,x>0f[g(x)] = \begin{cases} -x, & x \leqslant 0, \\ 3 - x^2, & x > 0 \end{cases}
      • ③ 求 g[f(x)]g[f(x)]:
        • 关键问题:f(x)f(x) 何时 <0< 0、何时 ⩾0\geqslant 0(因为 gg 的阈值是 0)
        • 当 x⩾1x \geqslant 1 时:f(x)=ln⁡x⩾ln⁡1=0f(x) = \ln x \geqslant \ln 1 = 0,即 f(x)⩾0f(x) \geqslant 0 恒成立
        • 当 x<1x < 1 时:f(x)=x+2f(x) = x + 2,则 f(x)<0  ⟺  x+2<0  ⟺  x<−2f(x) < 0 \iff x + 2 < 0 \iff x < -2;f(x)⩾0  ⟺  x⩾−2f(x) \geqslant 0 \iff x \geqslant -2
        • 综合得:f(x)<0  ⟺  x<−2f(x) < 0 \iff x < -2;f(x)⩾0  ⟺  x⩾−2f(x) \geqslant 0 \iff x \geqslant -2
        • 当 x<−2x < -2 时:g[f(x)]=e−f(x)=e−(x+2)=e−x−2g[f(x)] = \mathrm{e}^{-f(x)} = \mathrm{e}^{-(x+2)} = \mathrm{e}^{-x-2}
        • 当 −2⩽x<1-2 \leqslant x < 1 时:g[f(x)]=−[f(x)]2+1=−(x+2)2+1=−(x2+4x+4)+1=−x2−4x−3g[f(x)] = -[f(x)]^2 + 1 = -(x+2)^2 + 1 = -(x^2 + 4x + 4) + 1 = -x^2 - 4x - 3
        • 当 x⩾1x \geqslant 1 时:g[f(x)]=−[f(x)]2+1=−(ln⁡x)2+1=1−ln⁡2xg[f(x)] = -[f(x)]^2 + 1 = -(\ln x)^2 + 1 = 1 - \ln^2 x
        • 故 g[f(x)]={e−x−2,x<−2,−x2−4x−3,−2⩽x<1,1−ln⁡2x,x⩾1g[f(x)] = \begin{cases} \mathrm{e}^{-x-2}, & x < -2, \\ -x^2 - 4x - 3, & -2 \leqslant x < 1, \\ 1 - \ln^2 x, & x \geqslant 1 \end{cases}
      • ④ 检验分界点取值一致:
        • x=0x = 0 处:f[g(0)]=f(1)=ln⁡1=0f[g(0)] = f(1) = \ln 1 = 0,与 −x=0-x = 0 一致 ✓
        • x=−2x = -2 处:g[f(−2)]=g(0)=−0+1=1g[f(-2)] = g(0) = -0 + 1 = 1,与 e0=1\mathrm{e}^{0} = 1 一致 ✓
        • x=1x = 1 处:g[f(1)]=g(ln⁡1)=g(0)=1g[f(1)] = g(\ln 1) = g(0) = 1,与 1−ln⁡21=11 - \ln^2 1 = 1 一致 ✓
    • 最终答案:
      • f[g(x)]={−x,x⩽0,3−x2,x>0f[g(x)] = \begin{cases} -x, & x \leqslant 0, \\ 3 - x^2, & x > 0 \end{cases}
      • g[f(x)]={e−x−2,x<−2,−x2−4x−3,−2⩽x<1,1−ln⁡2x,x⩾1g[f(x)] = \begin{cases} \mathrm{e}^{-x-2}, & x < -2, \\ -x^2 - 4x - 3, & -2 \leqslant x < 1, \\ 1 - \ln^2 x, & x \geqslant 1 \end{cases}
  • 【学习模块】
    • 本题题目:
      • 已知 f(x)={ln⁡x,x⩾1,x+2,x<1,f(x) = \begin{cases} \ln x, & x \geqslant 1, \\ x+2, & x < 1, \end{cases},g(x)={e−x,x<0,−x2+1,x⩾0,g(x) = \begin{cases} \mathrm{e}^{-x}, & x < 0, \\ -x^2+1, & x \geqslant 0, \end{cases} 求 f[g(x)]f[g(x)],g[f(x)]g[f(x)]
    • 知识点大纲:
      • 主流程:分段函数 → 复合函数(由内向外)→ 内层函数值与外层阈值比较 → 重新划分 x 的分段区间 → 逐段代入化简
      • 求 f[g(x)]f[g(x)]:比较 g(x)g(x) 与阈值 1(x⩽0x \leqslant 0 与 x>0x > 0)+ 逐段代入 ff → {−x,x⩽0,3−x2,x>0\begin{cases} -x, & x \leqslant 0, \\ 3 - x^2, & x > 0 \end{cases}
      • 求 g[f(x)]g[f(x)]:比较 f(x)f(x) 与阈值 0(x<−2x < -2、−2⩽x<1-2 \leqslant x < 1、x⩾1x \geqslant 1)+ 逐段代入 gg → {e−x−2,x<−2,−x2−4x−3,−2⩽x<1,1−ln⁡2x,x⩾1\begin{cases} \mathrm{e}^{-x-2}, & x < -2, \\ -x^2 - 4x - 3, & -2 \leqslant x < 1, \\ 1 - \ln^2 x, & x \geqslant 1 \end{cases}
    • 第1步:先弄清题目要我们做什么
      • 思路:ff、gg 都是分段函数,要求两个复合函数 f[g(x)]f[g(x)] 和 g[f(x)]g[f(x)]。复合函数的结果一般也是分段函数,难点在于分段区间要重新划分
      • 知识点铺垫(什么是复合函数):
        • 严谨定义:设 y=F(u)y = F(u),u=G(x)u = G(x),则 y=F(G(x))y = F(G(x)) 称为 FF 与 GG 的复合函数;计算时先算内层 G(x)G(x),再把结果作为输入代入外层 FF
        • 通俗讲解:复合像"套娃",最里面一层先算。f[g(x)]f[g(x)] 就是"先让 gg 加工 xx,再把 gg 的产出交给 ff 加工"
        • 生活类比:工厂流水线——第一道工序 gg 把原料 xx 加工成半成品,第二道工序 ff 把半成品加工成成品;每道工序有自己的"合格标准"(分段规则)
    • 第2步:看清两个分段函数各自的"规则"
      • 思路:把 ff、gg 的分段规则与阈值记牢——ff 的阈值是 1,gg 的阈值是 0
      • 知识点(分段函数的定义):
        • 严谨定义:分段函数在不同区间上由不同表达式定义。ff:输入 u⩾1u \geqslant 1 输出 ln⁡u\ln u,输入 u<1u < 1 输出 u+2u + 2;gg:输入 v<0v < 0 输出 e−v\mathrm{e}^{-v},输入 v⩾0v \geqslant 0 输出 −v2+1-v^2 + 1
        • 通俗讲解:ff 是一台"检测机":进来的数不小于 1,走 ln⁡\ln 通道;小于 1,走"加 2"通道。gg 的检测标准是 0:负数走指数通道,非负数走"负平方加 1"通道
      • 易错点:阈值点本身归属要记清——ff 的 u=1u = 1 归第一段(⩾1\geqslant 1),gg 的 v=0v = 0 归第二段(⩾0\geqslant 0)
    • 第3步:求 f[g(x)]f[g(x)] 前的关键分析——g(x)g(x) 落在 ff 的哪一段
      • 思路:ff 要求先判断输入与 1 的大小。因此要把 g(x)g(x) 的取值与 1 比较,从而把 xx 重新分段。先分析 gg 在两段上的取值范围
      • 知识点(指数函数与二次函数的值域):
        • 严谨定义:y=ety = \mathrm{e}^{t} 在 t>0t > 0 时 y>1y > 1;y=−x2+1y = -x^2 + 1 的最大值为 1(当 x=0x = 0),否则小于 1
        • 通俗讲解:x<0x < 0 时 −x>0-x > 0,ee 的正数次方一定大于 e0=1e^0 = 1;而 −x2+1-x^2+1 是开口向下的抛物线,最高点就是 1
      • 计算(比较 g(x)g(x) 与 1 的完整过程):
        • 当 x<0x < 0:g(x)=e−xg(x) = \mathrm{e}^{-x},因为 −x>0-x > 0,所以 e−x>e0=1\mathrm{e}^{-x} > \mathrm{e}^0 = 1,即 g(x)>1g(x) > 1 恒成立
        • 当 x⩾0x \geqslant 0:g(x)=−x2+1g(x) = -x^2 + 1。令 −x2+1⩾1-x^2 + 1 \geqslant 1,解得 −x2⩾0-x^2 \geqslant 0,即 x2⩽0x^2 \leqslant 0,只有 x=0x = 0;故 x>0x > 0 时 g(x)<1g(x) < 1,x=0x = 0 时 g(x)=1g(x) = 1
        • 合并:g(x)⩾1  ⟺  x⩽0g(x) \geqslant 1 \iff x \leqslant 0;g(x)<1  ⟺  x>0g(x) < 1 \iff x > 0
      • 结论:f[g(x)]f[g(x)] 的分段点为 x=0x = 0:x⩽0x \leqslant 0 走 ln⁡\ln 通道,x>0x > 0 走 +2+2 通道
      • 易错点:不能照抄 gg 原来的分段点 x=0x = 0 与 ff 的分段点 x=1x = 1——复合后的分段点由内层函数值与外层阈值比较重新确定
    • 第4步:逐段计算 f[g(x)]f[g(x)]
      • 思路:按第3步分好的两段,把 g(x)g(x) 代入 ff 的对应表达式并化简
      • 计算(两段代入化简的完整过程):
        • 当 x⩽0x \leqslant 0(此时 g(x)⩾1g(x) \geqslant 1,用 ln⁡\ln):f[g(x)]=ln⁡(g(x))=ln⁡(e−x)=−xf[g(x)] = \ln(g(x)) = \ln(\mathrm{e}^{-x}) = -x(用到 ln⁡et=t\ln \mathrm{e}^{t} = t;x=0x = 0 时 ln⁡1=0\ln 1 = 0,与 −0-0 一致)
        • 当 x>0x > 0(此时 g(x)<1g(x) < 1,用 u+2u + 2):f[g(x)]=g(x)+2=(−x2+1)+2=3−x2f[g(x)] = g(x) + 2 = (-x^2 + 1) + 2 = 3 - x^2
      • 知识点(对数恒等式):
        • 严谨定义:ln⁡et=t\ln \mathrm{e}^{t} = t 对所有实数 tt 成立
        • 通俗讲解:ln⁡\ln 和 e\mathrm{e} 互为"拆装"关系,先装后拆等于没动
      • 结论:f[g(x)]={−x,x⩽0,3−x2,x>0f[g(x)] = \begin{cases} -x, & x \leqslant 0, \\ 3 - x^2, & x > 0 \end{cases}
      • 易错点:化简 ln⁡(e−x)\ln(\mathrm{e}^{-x}) 时,−x-x 是"整个指数",不是 −ln⁡x-\ln x;代入 x+2x + 2 分支时不要忘记把 g(x)=−x2+1g(x) = -x^2 + 1 整体加 2,即 −x2+3-x^2 + 3
    • 第5步:求 g[f(x)]g[f(x)] 前的关键分析——f(x)f(x) 落在 gg 的哪一段
      • 思路:gg 要求先判断输入与 0 的大小,所以要把 f(x)f(x) 的取值与 0 比较,重新划分 xx 的区间。先分析 ff 在两段上的取值符号
      • 计算(比较 f(x)f(x) 与 0 的完整过程):
        • 当 x⩾1x \geqslant 1:f(x)=ln⁡x⩾ln⁡1=0f(x) = \ln x \geqslant \ln 1 = 0,即 f(x)⩾0f(x) \geqslant 0 恒成立
        • 当 x<1x < 1:f(x)=x+2f(x) = x + 2。令 x+2<0x + 2 < 0,得 x<−2x < -2;令 x+2⩾0x + 2 \geqslant 0,得 x⩾−2x \geqslant -2
        • 合并:f(x)<0  ⟺  x<−2f(x) < 0 \iff x < -2;f(x)⩾0  ⟺  x⩾−2f(x) \geqslant 0 \iff x \geqslant -2
      • 结论:g[f(x)]g[f(x)] 的分段点为 x=−2x = -2 与 x=1x = 1,共三段:x<−2x < -2 走指数通道,−2⩽x<1-2 \leqslant x < 1 与 x⩾1x \geqslant 1 走 −v2+1-v^2+1 通道
      • 易错点:x⩾1x \geqslant 1 与 −2⩽x<1-2 \leqslant x < 1 两段虽然都走 gg 的同一个通道,但 f(x)f(x) 的表达式不同(ln⁡x\ln x 与 x+2x+2),不能合并成一段
    • 第6步:逐段计算 g[f(x)]g[f(x)]
      • 思路:按第5步分好的三段,把 f(x)f(x) 代入 gg 的对应表达式并化简
      • 计算(三段代入化简的完整过程):
        • 当 x<−2x < -2(此时 f(x)<0f(x) < 0,用 e−v\mathrm{e}^{-v}):g[f(x)]=e−f(x)=e−(x+2)=e−x−2g[f(x)] = \mathrm{e}^{-f(x)} = \mathrm{e}^{-(x+2)} = \mathrm{e}^{-x-2}
        • 当 −2⩽x<1-2 \leqslant x < 1(此时 f(x)⩾0f(x) \geqslant 0,用 −v2+1-v^2 + 1):g[f(x)]=−[f(x)]2+1=−(x+2)2+1=−(x2+4x+4)+1=−x2−4x−3g[f(x)] = -[f(x)]^2 + 1 = -(x+2)^2 + 1 = -(x^2 + 4x + 4) + 1 = -x^2 - 4x - 3
        • 当 x⩾1x \geqslant 1(此时 f(x)⩾0f(x) \geqslant 0,用 −v2+1-v^2 + 1):g[f(x)]=−[f(x)]2+1=−(ln⁡x)2+1=1−ln⁡2xg[f(x)] = -[f(x)]^2 + 1 = -(\ln x)^2 + 1 = 1 - \ln^2 x
      • 知识点(完全平方公式):
        • 严谨定义:(a+b)2=a2+2ab+b2(a + b)^2 = a^2 + 2ab + b^2,故 (x+2)2=x2+4x+4(x+2)^2 = x^2 + 4x + 4
        • 通俗讲解:把 (x+2)2(x+2)^2 展开成三项再合并同类项,别漏掉中间的 4x4x
      • 结论:g[f(x)]={e−x−2,x<−2,−x2−4x−3,−2⩽x<1,1−ln⁡2x,x⩾1g[f(x)] = \begin{cases} \mathrm{e}^{-x-2}, & x < -2, \\ -x^2 - 4x - 3, & -2 \leqslant x < 1, \\ 1 - \ln^2 x, & x \geqslant 1 \end{cases}
      • 易错点:−(x+2)2-(x+2)^2 展开时负号要作用于整个平方结果;(ln⁡x)2(\ln x)^2 要写成 ln⁡2x\ln^2 x 的规范形式,不能写成 ln⁡(x2)\ln(x^2)
    • 第7步:检验分界点的取值是否一致
      • 思路:分段函数在分界点处两侧表达式可能不同,代入验证确保不矛盾(虽然复合后按定义分界点只属于一段,但验证可防错)
      • 计算(代入验证的完整过程):
        • x=0x = 0 处验证 f[g(x)]f[g(x)]:f[g(0)]=f(1)=ln⁡1=0f[g(0)] = f(1) = \ln 1 = 0,第一段 −x=−0=0-x = -0 = 0 ✓
        • x=−2x = -2 处验证 g[f(x)]g[f(x)]:g[f(−2)]=g(0)=−02+1=1g[f(-2)] = g(0) = -0^2 + 1 = 1,第一段 e−(−2)−2=e0=1\mathrm{e}^{-(-2)-2} = \mathrm{e}^{0} = 1 ✓
        • x=1x = 1 处验证 g[f(x)]g[f(x)]:g[f(1)]=g(ln⁡1)=g(0)=1g[f(1)] = g(\ln 1) = g(0) = 1,第三段 1−ln⁡21=1−0=11 - \ln^2 1 = 1 - 0 = 1 ✓
      • 易错点:验证时先算内层函数值(如 g(0)g(0)、f(1)f(1)),再代外层,顺序反了会算错
    • 全题知识地图(回顾):
      • 明确 ff、gg 的阈值(ff 看 1,gg 看 0)→ 由内向外:比较内层函数值与外层阈值 → 重新划分 xx 的分段区间 → 逐段代入化简(ln⁡et=t\ln \mathrm{e}^{t} = t、完全平方展开)→ 分界点验证 → 两个分段答案
    • 最终答案:
      • f[g(x)]={−x,x⩽0,3−x2,x>0f[g(x)] = \begin{cases} -x, & x \leqslant 0, \\ 3 - x^2, & x > 0 \end{cases}
      • g[f(x)]={e−x−2,x<−2,−x2−4x−3,−2⩽x<1,1−ln⁡2x,x⩾1g[f(x)] = \begin{cases} \mathrm{e}^{-x-2}, & x < -2, \\ -x^2 - 4x - 3, & -2 \leqslant x < 1, \\ 1 - \ln^2 x, & x \geqslant 1 \end{cases}

第三节 函数极限的定义与限制


  • 【例一】

    • 已知 f(x)={2arctan⁡1x+1π−4arctan⁡1x+aln⁡(1−x)∣x∣,x≠0,b,x=0f(x) = \begin{cases} \dfrac{2\arctan \dfrac{1}{x} + 1}{\pi - 4\arctan \dfrac{1}{x}} + \dfrac{a\ln(1-x)}{|x|}, & x \neq 0, \\ b, & x = 0 \end{cases} 在 x=0x=0 处的极限存在,求参数 a,ba, b
  • 【解题】

    • 题目类型:分段函数极限存在性问题(含参数,求参数 a,ba, b)
    • 解题思路:
      • 本题考察函数在某点极限存在的充要条件:lim⁡x→0f(x)\lim\limits_{x \to 0} f(x) 存在   ⟺  \iff 左极限与右极限都存在且相等
      • 函数在 x≠0x \neq 0 的表达式里含 arctan⁡1x\arctan \dfrac{1}{x} 和 ∣x∣|x|,这两者在 x→0x \to 0 时左右行为完全不同(arctan⁡1x\arctan\frac1x 左趋于 −π2-\frac\pi2、右趋于 π2\frac\pi2;∣x∣|x| 左侧为 −x-x、右侧为 xx),所以必须分左右极限讨论
      • 求左极限:利用 arctan⁡(−∞)=−π2\arctan\left(-\infty\right) = -\frac\pi2、x<0x<0 时 ∣x∣=−x|x| = -x、以及等价无穷小 ln⁡(1−x)∼−x\ln(1-x) \sim -x(x→0x \to 0)
      • 求右极限:利用 arctan⁡(+∞)=π2\arctan(+\infty) = \frac\pi2、x>0x>0 时 ∣x∣=x|x| = x
      • 令左极限 = 右极限,解出 aa;再把 aa 代回求出公共极限值 LL,由"极限值等于函数值"(连续)确定 b=Lb = L
    • 解答:
      • ① 求左极限(x→0−x \to 0^-):
        • 当 x→0−x \to 0^- 时,1x→−∞\dfrac{1}{x} \to -\infty,故 arctan⁡1x→−π2\arctan \dfrac{1}{x} \to -\dfrac{\pi}{2}
        • 第一部分的分子:2arctan⁡1x+1→2⋅(−π2)+1=−π+12\arctan \dfrac{1}{x} + 1 \to 2 \cdot \left(-\dfrac{\pi}{2}\right) + 1 = -\pi + 1
        • 第一部分的分母:π−4arctan⁡1x→π−4⋅(−π2)=π+2π=3π≠0\pi - 4\arctan \dfrac{1}{x} \to \pi - 4 \cdot \left(-\dfrac{\pi}{2}\right) = \pi + 2\pi = 3\pi \neq 0
        • 所以第一部分极限为 1−π3π\dfrac{1 - \pi}{3\pi}
        • 第二部分:x<0x < 0 时 ∣x∣=−x|x| = -x,故 aln⁡(1−x)∣x∣=aln⁡(1−x)−x\dfrac{a\ln(1-x)}{|x|} = \dfrac{a\ln(1-x)}{-x};由 ln⁡(1−x)∼−x\ln(1-x) \sim -x 知 ln⁡(1−x)−x→1\dfrac{\ln(1-x)}{-x} \to 1,所以第二部分极限为 aa
        • 左极限:L−=1−π3π+aL_- = \dfrac{1-\pi}{3\pi} + a
      • ② 求右极限(x→0+x \to 0^+):
        • 当 x→0+x \to 0^+ 时,1x→+∞\dfrac{1}{x} \to +\infty,故 arctan⁡1x→π2\arctan \dfrac{1}{x} \to \dfrac{\pi}{2}
        • 第一部分的分子:2⋅π2+1=π+12 \cdot \dfrac{\pi}{2} + 1 = \pi + 1
        • 第一部分的分母:π−4⋅π2=π−2π=−π≠0\pi - 4 \cdot \dfrac{\pi}{2} = \pi - 2\pi = -\pi \neq 0
        • 所以第一部分极限为 π+1−π=−π+1π\dfrac{\pi+1}{-\pi} = -\dfrac{\pi+1}{\pi}
        • 第二部分:x>0x > 0 时 ∣x∣=x|x| = x,故 aln⁡(1−x)∣x∣=aln⁡(1−x)x\dfrac{a\ln(1-x)}{|x|} = \dfrac{a\ln(1-x)}{x};由 ln⁡(1−x)∼−x\ln(1-x) \sim -x 知 ln⁡(1−x)x→−1\dfrac{\ln(1-x)}{x} \to -1,所以第二部分极限为 −a-a
        • 右极限:L+=−π+1π−aL_+ = -\dfrac{\pi+1}{\pi} - a
      • ③ 令左极限 = 右极限,解出 aa:
        • 1−π3π+a=−π+1π−a\dfrac{1-\pi}{3\pi} + a = -\dfrac{\pi+1}{\pi} - a
        • 移项:2a=−π+1π−1−π3π2a = -\dfrac{\pi+1}{\pi} - \dfrac{1-\pi}{3\pi}
        • 通分(公分母 3π3\pi):2a=−3(π+1)−(1−π)3π=−3π−3−1+π3π=−2π−43π2a = \dfrac{-3(\pi+1) - (1-\pi)}{3\pi} = \dfrac{-3\pi - 3 - 1 + \pi}{3\pi} = \dfrac{-2\pi - 4}{3\pi}
        • a=−π+23πa = -\dfrac{\pi+2}{3\pi}
      • ④ 求公共极限值并确定 bb:
        • 把 aa 代入左极限:L=1−π3π−π+23π=1−π−π−23π=−2π−13πL = \dfrac{1-\pi}{3\pi} - \dfrac{\pi+2}{3\pi} = \dfrac{1 - \pi - \pi - 2}{3\pi} = \dfrac{-2\pi - 1}{3\pi}
        • 验证右极限:−π+1π+π+23π=−3π−3+π+23π=−2π−13π-\dfrac{\pi+1}{\pi} + \dfrac{\pi+2}{3\pi} = \dfrac{-3\pi - 3 + \pi + 2}{3\pi} = \dfrac{-2\pi - 1}{3\pi} ✓
        • 公共极限值 L=−2π+13πL = -\dfrac{2\pi+1}{3\pi}
        • 要使"极限值等于函数值 f(0)f(0)"(即函数在 x=0x=0 处连续,这也是本题问 bb 的隐含条件):b=L=−2π+13πb = L = -\dfrac{2\pi+1}{3\pi}
    • 最终答案:
      • a=−π+23πa = -\dfrac{\pi+2}{3\pi},b=−2π+13πb = -\dfrac{2\pi+1}{3\pi}
  • 【分析模块】

    • 本题题目:
      • 已知 f(x)={2arctan⁡1x+1π−4arctan⁡1x+aln⁡(1−x)∣x∣,x≠0,b,x=0f(x) = \begin{cases} \dfrac{2\arctan \dfrac{1}{x} + 1}{\pi - 4\arctan \dfrac{1}{x}} + \dfrac{a\ln(1-x)}{|x|}, & x \neq 0, \\ b, & x = 0 \end{cases} 在 x=0x=0 处的极限存在,求参数 a,ba, b
    • 解题思路:
      • 第一步:识别出本题是分段函数在分界点的极限存在性问题,核心依据是"左右极限存在且相等"
      • 第二步:观察到 arctan⁡1x\arctan\frac1x 与 ∣x∣|x| 在 0 点两侧行为不同,必须分别求左、右极限
      • 第三步:左极限用 arctan⁡1x→−π2\arctan\frac1x \to -\frac\pi2、∣x∣=−x|x| = -x、ln⁡(1−x)∼−x\ln(1-x) \sim -x 求得 1−π3π+a\frac{1-\pi}{3\pi} + a;右极限用 arctan⁡1x→π2\arctan\frac1x \to \frac\pi2、∣x∣=x|x| = x 求得 −π+1π−a-\frac{\pi+1}{\pi} - a
      • 第四步:令左右相等解出 a=−π+23πa = -\frac{\pi+2}{3\pi},代回得公共极限值 L=−2π+13πL = -\frac{2\pi+1}{3\pi},从而 b=Lb = L
    • 知识点大纲:
      • 主流程:分段函数 → 分界点极限 → 左右极限分别求 → 令其相等 → 解参数 aa → 代回求极限值 → 确定 bb
      • 求左极限:arctan⁡1x\arctan\frac1x 的极限(→−π2\to -\frac\pi2)+ ∣x∣|x| 分段(∣x∣=−x|x| = -x)+ 等价无穷小(ln⁡(1−x)∼−x\ln(1-x) \sim -x)→ 1−π3π+a\dfrac{1-\pi}{3\pi} + a
      • 求右极限:arctan⁡1x\arctan\frac1x 的极限(→π2\to \frac\pi2)+ ∣x∣|x| 分段(∣x∣=x|x| = x)→ −π+1π−a-\dfrac{\pi+1}{\pi} - a
      • 解参数:左右相等 → a=−π+23πa = -\dfrac{\pi+2}{3\pi};代回求值 → L=−2π+13πL = -\dfrac{2\pi+1}{3\pi} → b=Lb = L
  • 【学习模块】

    • 第1步:先弄清"极限存在"到底是什么意思
      • 思路:题目说 f(x)f(x) 在 x=0x=0 处的极限存在——先要明白这个条件对 a,ba, b 各有什么约束
      • 知识点(函数极限存在的充要条件):
        • 严谨定义:lim⁡x→x0f(x)=A\lim\limits_{x \to x_0} f(x) = A 存在   ⟺  \iff 左极限 lim⁡x→x0−f(x)\lim\limits_{x \to x_0^-} f(x) 与右极限 lim⁡x→x0+f(x)\lim\limits_{x \to x_0^+} f(x) 都存在且相等,即 lim⁡x→x0−f(x)=lim⁡x→x0+f(x)=A\lim\limits_{x \to x_0^-} f(x) = \lim\limits_{x \to x_0^+} f(x) = A
        • 通俗讲解:从左边靠近 0 和从右边靠近 0,函数值"走向的终点"必须是同一个数,极限才存在
        • 生活类比:从桥的两头同时走向桥中央,只有两人走到同一个位置,才能说"桥中央有一个确定的会合点"
      • 关键观察:
        • "极限存在"只约束 x≠0x \neq 0 那一段的表达式,与 f(0)=bf(0) = b 无关——除非还要求极限值等于函数值(即连续)。本题特意问 bb,说明隐含条件是极限值 = f(0)f(0)(函数在 0 处连续)
      • 易错点:把"极限存在"误当成"连续"或"可导";连续还额外要求 lim⁡f(x)=f(0)\lim f(x) = f(0),本题的 bb 正是由这一条定出的
    • 第2步:观察函数结构,决定必须分左右讨论
      • 思路:x≠0x \neq 0 的表达式中,arctan⁡1x\arctan\dfrac{1}{x} 和 ∣x∣|x| 在 x=0x=0 两侧的"表现"完全不同,所以先分别研究两侧
      • 知识点(反正切函数的极限):
        • 严谨定义:lim⁡x→+∞arctan⁡x=π2\lim\limits_{x \to +\infty} \arctan x = \dfrac{\pi}{2},lim⁡x→−∞arctan⁡x=−π2\lim\limits_{x \to -\infty} \arctan x = -\dfrac{\pi}{2}
        • 通俗讲解:arctan⁡\arctan 的值域是 (−π2,π2)\left(-\frac\pi2, \frac\pi2\right);自变量越往正无穷走,值越逼近 +π2+\frac\pi2;越往负无穷走,值越逼近 −π2-\frac\pi2
        • 生活类比:arctan⁡\arctan 像一扇"逐渐合拢的门"——无论 1x\frac1x 跑到正无穷还是负无穷,arctan⁡1x\arctan\frac1x 都会被"夹"在 ±π2\pm\frac\pi2 之间
      • 关键观察:
        • 当 x→0−x \to 0^- 时 1x→−∞\frac1x \to -\infty;当 x→0+x \to 0^+ 时 1x→+∞\frac1x \to +\infty——同一个 arctan⁡1x\arctan\frac1x,左右极限分别是 −π2-\frac\pi2 和 π2\frac\pi2,完全不同
        • ∣x∣|x| 在 x<0x<0 时等于 −x-x,在 x>0x>0 时等于 xx,也要分开处理
      • 易错点:不能直接把 x=0x=0 代入 arctan⁡1x\arctan\frac1x(没定义),必须先看 1x\frac1x 趋于哪个方向的无穷
    • 第3步:求左极限(x→0−x \to 0^-)
      • 思路:在 x<0x<0 一侧,逐个算出两部分的极限再相加
      • 计算(左极限的完整过程):
        • 第一部分:
          • x→0−x \to 0^- 时 1x→−∞\dfrac1x \to -\infty,故 arctan⁡1x→−π2\arctan\dfrac1x \to -\dfrac\pi2
          • 分子:2arctan⁡1x+1→2⋅(−π2)+1=−π+12\arctan\dfrac1x + 1 \to 2 \cdot \left(-\dfrac\pi2\right) + 1 = -\pi + 1
          • 分母:π−4arctan⁡1x→π−4(−π2)=π+2π=3π≠0\pi - 4\arctan\dfrac1x \to \pi - 4\left(-\dfrac\pi2\right) = \pi + 2\pi = 3\pi \neq 0(分母不为 0,可以放心取极限)
          • 第一部分 →−π+13π=1−π3π\to \dfrac{-\pi+1}{3\pi} = \dfrac{1-\pi}{3\pi}
        • 第二部分:
          • x<0x < 0 时 ∣x∣=−x|x| = -x,所以 aln⁡(1−x)∣x∣=aln⁡(1−x)−x\dfrac{a\ln(1-x)}{|x|} = \dfrac{a\ln(1-x)}{-x}
          • 知识点(等价无穷小):严谨定义:若 lim⁡αβ=1\lim \dfrac{\alpha}{\beta} = 1,则称 α∼β\alpha \sim \beta,极限中可以相互替换(乘除因子);当 u→0u \to 0 时 ln⁡(1+u)∼u\ln(1+u) \sim u
          • 通俗讲解:xx 很小时 ln⁡(1−x)\ln(1-x) 和 −x-x 几乎一样大(比值趋近 1),可以直接"互换"来算极限
          • 令 u=−xu = -x:ln⁡(1−x)−x=ln⁡(1+u)u→1\dfrac{\ln(1-x)}{-x} = \dfrac{\ln(1+u)}{u} \to 1,故第二部分 →a⋅1=a\to a \cdot 1 = a
        • 左极限:L−=1−π3π+aL_- = \dfrac{1-\pi}{3\pi} + a
      • 易错点:左极限时 ∣x∣=−x|x| = -x,符号不能搞反(搞反会得到 −a-a,参数就解错了)
    • 第4步:求右极限(x→0+x \to 0^+)
      • 思路:在 x>0x>0 一侧重复同样的过程,但 arctan⁡\arctan 和 ∣x∣|x| 的行为都变了
      • 计算(右极限的完整过程):
        • 第一部分:
          • x→0+x \to 0^+ 时 1x→+∞\dfrac1x \to +\infty,故 arctan⁡1x→π2\arctan\dfrac1x \to \dfrac\pi2
          • 分子:2⋅π2+1=π+12 \cdot \dfrac\pi2 + 1 = \pi + 1
          • 分母:π−4⋅π2=π−2π=−π≠0\pi - 4 \cdot \dfrac\pi2 = \pi - 2\pi = -\pi \neq 0
          • 第一部分 →π+1−π=−π+1π\to \dfrac{\pi+1}{-\pi} = -\dfrac{\pi+1}{\pi}
        • 第二部分:
          • x>0x > 0 时 ∣x∣=x|x| = x,所以 aln⁡(1−x)∣x∣=aln⁡(1−x)x\dfrac{a\ln(1-x)}{|x|} = \dfrac{a\ln(1-x)}{x}
          • 由 ln⁡(1−x)∼−x\ln(1-x) \sim -x:ln⁡(1−x)x→−1\dfrac{\ln(1-x)}{x} \to -1,故第二部分 →−a\to -a
        • 右极限:L+=−π+1π−aL_+ = -\dfrac{\pi+1}{\pi} - a
      • 易错点:右极限时第二部分趋于 −a-a(不是 aa)——绝对值"去符号"后分母从 −x-x 变成 xx,多出一个负号
    • 第5步:令左右极限相等,解出 aa
      • 思路:极限存在的充要条件是 L−=L+L_- = L_+,这是关于 aa 的方程
      • 计算(解方程的完整过程):
        • 1−π3π+a=−π+1π−a\dfrac{1-\pi}{3\pi} + a = -\dfrac{\pi+1}{\pi} - a
        • 把 aa 移到左边:2a=−π+1π−1−π3π2a = -\dfrac{\pi+1}{\pi} - \dfrac{1-\pi}{3\pi}
        • 通分(公分母 3π3\pi):
          • −π+1π=−3(π+1)3π=−3π−33π-\dfrac{\pi+1}{\pi} = -\dfrac{3(\pi+1)}{3\pi} = \dfrac{-3\pi - 3}{3\pi}
          • 2a=−3π−33π−1−π3π=−3π−3−1+π3π=−2π−43π2a = \dfrac{-3\pi - 3}{3\pi} - \dfrac{1-\pi}{3\pi} = \dfrac{-3\pi - 3 - 1 + \pi}{3\pi} = \dfrac{-2\pi - 4}{3\pi}
        • 两边除以 2:a=−2π−46π=−π+23πa = \dfrac{-2\pi - 4}{6\pi} = -\dfrac{\pi + 2}{3\pi}
      • 易错点:通分时括号里的负号要展开正确(−(1−π)=−1+π-(1-\pi) = -1 + \pi),漏负号是常见错误
    • 第6步:代回求公共极限值,确定 bb
      • 思路:把 aa 代回左(或右)极限得到公共极限值 LL;再令 f(0)=bf(0) = b 等于 LL,得到 bb
      • 计算(代回求值的完整过程):
        • 代回左极限:L=1−π3π+(−π+23π)=1−π−π−23π=−2π−13πL = \dfrac{1-\pi}{3\pi} + \left(-\dfrac{\pi+2}{3\pi}\right) = \dfrac{1 - \pi - \pi - 2}{3\pi} = \dfrac{-2\pi - 1}{3\pi}
        • 验证右极限:L=−π+1π−(−π+23π)=−3π−3+π+23π=−2π−13πL = -\dfrac{\pi+1}{\pi} - \left(-\dfrac{\pi+2}{3\pi}\right) = \dfrac{-3\pi - 3 + \pi + 2}{3\pi} = \dfrac{-2\pi - 1}{3\pi} ✓(两侧一致,极限确实存在)
        • 公共极限值:L=−2π+13πL = -\dfrac{2\pi+1}{3\pi}
        • 由于极限值要等于函数值 f(0)=bf(0) = b(连续),得 b=−2π+13πb = -\dfrac{2\pi+1}{3\pi}
      • 说明:若题目只要求"极限存在"而不要求等于 f(0)f(0),则 bb 可取任意实数;本题求 bb,说明隐含条件是极限值 = 函数值(即函数在 x=0x=0 处连续)
      • 易错点:bb 是"极限值",不是"某个表达式的值"——要先求出 LL 再赋值给 bb,顺序不能反
    • 全题知识地图:
      • 分段函数 → 分界点极限 → 分左右(arctan⁡1x\arctan\frac1x 左右极限不同 + ∣x∣|x| 左右展开不同)→ 左极限(arctan⁡1x→−π2\arctan\frac1x \to -\frac\pi2 + ∣x∣=−x|x| = -x + ln⁡(1−x)∼−x\ln(1-x)\sim -x)→ 1−π3π+a\dfrac{1-\pi}{3\pi} + a;右极限(arctan⁡1x→π2\arctan\frac1x \to \frac\pi2 + ∣x∣=x|x| = x)→ −π+1π−a-\dfrac{\pi+1}{\pi} - a → 令左右相等 → a=−π+23πa = -\dfrac{\pi+2}{3\pi} → 代回求值 → L=−2π+13πL = -\dfrac{2\pi+1}{3\pi} → b=Lb = L
    • 最终答案:
      • a=−π+23πa = -\dfrac{\pi+2}{3\pi},b=−2π+13πb = -\dfrac{2\pi+1}{3\pi}

  • 【例二】

    • 已知极限 lim⁡x→0(eax−22ebx+1+c[x])\lim_{x \to 0} \left( \dfrac{\mathrm{e}^{\frac{a}{x}} - 2}{2\mathrm{e}^{\frac{b}{x}} + 1} + c[x] \right) 存在,且 a>0a > 0,b>0b > 0,c∈Rc \in \mathbb{R},求参数 a,b,ca, b, c 满足的条件(其中 [x][x] 表示取整函数,即不超过 xx 的最大整数)
  • 【解题】

    • 题目类型:
      • 极限存在性讨论题(参数讨论:指数函数增长比较 + 取整函数 + 左右极限)
    • 解题思路:
      • lim⁡x→0f(x)\lim_{x \to 0} f(x) 存在(有限值)⟺ 左、右极限都存在且相等,所以先分 x→0+x \to 0^+ 与 x→0−x \to 0^- 分别讨论
      • x→0+x \to 0^+ 时 a/x→+∞a/x \to +\infty、b/x→+∞b/x \to +\infty,第一项 ea/x−22eb/x+1\dfrac{\mathrm{e}^{a/x}-2}{2\mathrm{e}^{b/x}+1} 是"两个无穷大之比",须按 ea/x\mathrm{e}^{a/x} 与 eb/x\mathrm{e}^{b/x} 谁增长更快(即 aa 与 bb 的大小关系)分 a>ba>b、a=ba=b、a<ba<b 三种情况;此时 0<x<10<x<1,[x]=0[x]=0,第二项 c[x]c[x] 无贡献
      • x→0−x \to 0^- 时 a/x→−∞a/x \to -\infty、b/x→−∞b/x \to -\infty,ea/x→0\mathrm{e}^{a/x} \to 0、eb/x→0\mathrm{e}^{b/x} \to 0,第一项恒趋于 −2-2;此时 −1<x<0-1<x<0,[x]=−1[x]=-1,第二项为 −c-c
      • 左、右极限的表达式都已知(含参数 cc),令二者相等即可解出 cc;同时由右极限不发散得到 aa、bb 的条件
    • 解答:
      • ① 求右极限 lim⁡x→0+\lim_{x \to 0^+}:
        • 当 0<x<10<x<1 时 [x]=0[x]=0,故 c[x]=0c[x]=0,右极限只取决于第一项
        • 将第一项的分子、分母同除以 eb/x\mathrm{e}^{b/x}:
          • ea/x−22eb/x+1=e(a−b)/x−2e−b/x2+e−b/x\dfrac{\mathrm{e}^{a/x}-2}{2\mathrm{e}^{b/x}+1} = \dfrac{\mathrm{e}^{(a-b)/x} - 2\mathrm{e}^{-b/x}}{2 + \mathrm{e}^{-b/x}}
        • 情形一:a>ba > b:
          • (a−b)/x→+∞(a-b)/x \to +\infty,e(a−b)/x→+∞\mathrm{e}^{(a-b)/x} \to +\infty;e−b/x→0\mathrm{e}^{-b/x} \to 0
          • 第一项 →+∞\to +\infty,右极限为 +∞+\infty → 极限不存在 ✗
        • 情形二:a=ba = b:
          • e(a−b)/x=e0=1\mathrm{e}^{(a-b)/x} = \mathrm{e}^0 = 1,e−b/x→0\mathrm{e}^{-b/x} \to 0
          • 第一项 →1−02+0=12\to \dfrac{1 - 0}{2 + 0} = \dfrac{1}{2},即右极限 =12= \dfrac{1}{2}
        • 情形三:a<ba < b:
          • (a−b)/x→−∞(a-b)/x \to -\infty,e(a−b)/x→0\mathrm{e}^{(a-b)/x} \to 0;e−b/x→0\mathrm{e}^{-b/x} \to 0
          • 第一项 →0−02+0=0\to \dfrac{0 - 0}{2 + 0} = 0,即右极限 =0= 0
        • 结论:右极限存在(有限)⟺ a≤ba \le b
      • ② 求左极限 lim⁡x→0−\lim_{x \to 0^-}:
        • 当 −1<x<0-1<x<0 时 [x]=−1[x]=-1,故 c[x]=−cc[x] = -c
        • x→0−x \to 0^- 时 a/x→−∞a/x \to -\infty、b/x→−∞b/x \to -\infty,故 ea/x→0\mathrm{e}^{a/x} \to 0、eb/x→0\mathrm{e}^{b/x} \to 0
        • 第一项 →0−20+1=−2\to \dfrac{0 - 2}{0 + 1} = -2
        • 左极限 =−2−c= -2 - c(与 aa、bb 无关)
      • ③ 令左右极限相等:
        • 若 a=ba = b:12=−2−c⇒c=−52\dfrac{1}{2} = -2 - c \Rightarrow c = -\dfrac{5}{2}
        • 若 a<ba < b:0=−2−c⇒c=−20 = -2 - c \Rightarrow c = -2
        • 若 a>ba > b:右极限不存在,原极限必不存在,舍去
      • ④ 验证:
        • 当 a<ba < b、c=−2c = -2:右极限 =0= 0;左极限 =−2−(−2)=0= -2 - (-2) = 0,左右相等 ✓
        • 当 a=ba = b、c=−52c = -\dfrac{5}{2}:右极限 =12= \dfrac{1}{2};左极限 =−2+52=12= -2 + \dfrac{5}{2} = \dfrac{1}{2},左右相等 ✓
    • 最终答案:
      • 参数满足 0<a≤b0 < a \le b,且 a=ba = b 时 c=−52c = -\dfrac{5}{2};a<ba < b 时 c=−2c = -2
  • 【分析模块】

    • 本题题目:
      • 已知极限 lim⁡x→0(eax−22ebx+1+c[x])\lim_{x \to 0} \left( \dfrac{\mathrm{e}^{\frac{a}{x}} - 2}{2\mathrm{e}^{\frac{b}{x}} + 1} + c[x] \right) 存在,且 a>0a > 0,b>0b > 0,c∈Rc \in \mathbb{R},求参数 a,b,ca, b, c 满足的条件(其中 [x][x] 表示取整函数,即不超过 xx 的最大整数)
    • 解题思路:
      • 核心是"极限存在 ⟺ 左右极限都存在且相等"
      • 右极限:x→0+x \to 0^+ 时 ea/x\mathrm{e}^{a/x}、eb/x→+∞\mathrm{e}^{b/x} \to +\infty,第一项是两个无穷大之比,分子分母同除以 eb/x\mathrm{e}^{b/x} 后用指数增长比较——a>ba>b 发散、a=ba=b 得 12\frac{1}{2}、a<ba<b 得 00;且此时 [x]=0[x]=0,故右极限存在 ⟺ a≤ba \le b
      • 左极限:x→0−x \to 0^- 时 ea/x\mathrm{e}^{a/x}、eb/x→0\mathrm{e}^{b/x} \to 0,第一项恒 →−2\to -2;且此时 [x]=−1[x]=-1,故左极限 =−2−c= -2 - c
      • 令左右相等:a=ba=b 时得 c=−52c = -\frac{5}{2};a<ba<b 时得 c=−2c = -2
    • 知识点大纲:
      • 主流程:极限存在性 → 左右极限存在且相等 → 右极限(指数增长比较 aa vs bb)→ 左极限(ea/x→0\mathrm{e}^{a/x} \to 0)→ 左右相等 → 参数条件
      • 右极限(x→0+x \to 0^+):取整函数 [x]=0[x] = 0 + 指数增长速度比较(分子分母同除 eb/x\mathrm{e}^{b/x})→ a≤ba \le b,值为 12\frac{1}{2}(a=ba = b)或 00(a<ba < b)
      • 左极限(x→0−x \to 0^-):取整函数 [x]=−1[x] = -1 + ea/x→0\mathrm{e}^{a/x} \to 0 → −2−c-2 - c
      • 定参数:左右极限相等 → c=−52c = -\dfrac{5}{2}(a=ba = b) + c=−2c = -2(a<ba < b) → 条件 0<a≤b0 < a \le b
  • 【学习模块】

    • 第1步:先弄清题意——"极限 lim⁡x→0(ea/x−22eb/x+1+c[x])\lim_{x \to 0}\left(\dfrac{\mathrm{e}^{a/x}-2}{2\mathrm{e}^{b/x}+1}+c[x]\right) 存在"意味着什么
      • 本题相关:
        • 题目给出了含三个参数 a,b,ca,b,c 的极限式 lim⁡x→0(ea/x−22eb/x+1+c[x])\lim_{x \to 0}\left(\dfrac{\mathrm{e}^{a/x}-2}{2\mathrm{e}^{b/x}+1}+c[x]\right),且 a>0a>0、b>0b>0、c∈Rc\in\mathbb{R},已知该极限存在,要求参数 a,b,ca,b,c 满足的条件
      • 思路:
        • "极限存在"等价于左极限、右极限都存在且相等;把左右两个极限分别算出来,再令它们相等,就能解出参数
      • 知识点(极限存在的充要条件):
        • 严谨定义:
          • lim⁡x→x0f(x)=A\lim_{x \to x_0} f(x) = A(AA 为有限常数)⟺ lim⁡x→x0−f(x)=lim⁡x→x0+f(x)=A\lim_{x \to x_0^-} f(x) = \lim_{x \to x_0^+} f(x) = A,即左极限与右极限都存在且相等
        • 通俗讲解:
          • 从 0 的左侧(负数一侧)和右侧(正数一侧)分别逼近 x=0x=0,两边算出的"趋势值"必须是同一个数,极限才存在
        • 生活类比:
          • 约好某点见面:从东边走到和从西边走到,到达的时刻必须一样,才算"准点到达"
      • 知识点(取整函数 [x][x]):
        • 严谨定义:
          • [x]=max⁡{n∈Z∣n≤x}[x] = \max\{ n \in \mathbb{Z} \mid n \le x \},即不超过 xx 的最大整数(也就是向下取整,[x]=⌊x⌋[x] = \lfloor x \rfloor)。当 0≤x<10 \le x < 1 时 [x]=0[x] = 0;当 −1≤x<0-1 \le x < 0 时 [x]=−1[x] = -1
        • 通俗讲解:
          • 向"下"(更小的方向)取整:0.9→00.9 \to 0;−0.1→−1-0.1 \to -1(因为 −1-1 是不超过 −0.1-0.1 的最大整数)
        • 易错点:
          • 负数取整最易出错:[−0.1]=−1[-0.1] = -1 而不是 00!本题在 x→0−x \to 0^- 处正是利用这一点
    • 第2步:观察 ea/x\mathrm{e}^{a/x}、eb/x\mathrm{e}^{b/x} 在 x→0+x \to 0^+ 与 x→0−x \to 0^- 的不同行为
      • 本题相关:
        • 原式由两部分组成:第一项 ea/x−22eb/x+1\dfrac{\mathrm{e}^{a/x} - 2}{2\mathrm{e}^{b/x} + 1},第二项 c[x]c[x]
      • 思路:
        • 先摸清 xx 从正、负两侧接近 00 时 ea/x\mathrm{e}^{a/x} 与 eb/x\mathrm{e}^{b/x} 分别走向哪里——这决定第一项的极限
      • 知识点(x→0x \to 0 时 e1/x\mathrm{e}^{1/x} 的左右极限):
        • 严谨定义:
          • lim⁡x→0+e1/x=+∞\lim_{x \to 0^+} \mathrm{e}^{1/x} = +\infty(此时 1/x→+∞1/x \to +\infty);lim⁡x→0−e1/x=0\lim_{x \to 0^-} \mathrm{e}^{1/x} = 0(此时 1/x→−∞1/x \to -\infty)
        • 通俗讲解:
          • 指数函数 et\mathrm{e}^t:自变量 t→+∞t \to +\infty 时爆炸增长到 +∞+\infty;t→−∞t \to -\infty 时被压到 00
      • 计算(左右行为的完整过程):
        • x→0+x \to 0^+(如 x=0.001x = 0.001):ax→+∞\dfrac{a}{x} \to +\infty,ea/x→+∞\mathrm{e}^{a/x} \to +\infty;bx→+∞\dfrac{b}{x} \to +\infty,eb/x→+∞\mathrm{e}^{b/x} \to +\infty;且 0<x<10<x<1 时 [x]=0[x]=0,故 c[x]=0c[x] = 0
        • x→0−x \to 0^-(如 x=−0.001x = -0.001):ax→−∞\dfrac{a}{x} \to -\infty,ea/x→0\mathrm{e}^{a/x} \to 0;bx→−∞\dfrac{b}{x} \to -\infty,eb/x→0\mathrm{e}^{b/x} \to 0;且 −1<x<0-1<x<0 时 [x]=−1[x] = -1,故 c[x]=−cc[x] = -c
      • 结论:
        • 左右两侧指数项行为完全不同:右侧双双爆炸(→+∞\to +\infty),左侧双双归零(→0\to 0),必须分开讨论
    • 第3步:计算右极限 lim⁡x→0+(ea/x−22eb/x+1+c[x])\lim_{x \to 0^+}\left(\dfrac{\mathrm{e}^{a/x}-2}{2\mathrm{e}^{b/x}+1}+c[x]\right),分 a>ba>b、a=ba=b、a<ba<b 三种情况
      • 本题相关:
        • 右极限 R=lim⁡x→0+ea/x−22eb/x+1R = \lim_{x \to 0^+} \dfrac{\mathrm{e}^{a/x}-2}{2\mathrm{e}^{b/x}+1}(因为 x→0+x \to 0^+ 时 [x]=0[x] = 0,c[x]c[x] 不出现)
      • 思路:
        • 分子、分母都 →+∞\to +\infty,是"∞∞\frac{\infty}{\infty}"型,要看分子中 ea/x\mathrm{e}^{a/x} 与分母中 eb/x\mathrm{e}^{b/x} 谁增长得快——即比较 aa 与 bb。把分子分母同除以 eb/x\mathrm{e}^{b/x},"增长快慢"就显出来了
      • 知识点(指数函数增长速度比较):
        • 严谨定义:
          • 设 p,qp,q 为常数。当 x→0+x \to 0^+ 时,ep/xeq/x=e(p−q)/x\dfrac{\mathrm{e}^{p/x}}{\mathrm{e}^{q/x}} = \mathrm{e}^{(p-q)/x}:若 p>qp > q,则 →+∞\to +\infty;若 p=qp = q,则恒等于 11;若 p<qp < q,则 →0\to 0
        • 通俗讲解:
          • 两个都奔向 +∞+\infty 的量,指数增长快慢取决于"指数系数":系数大的(a>ba > b)把小的碾压;系数相同(a=ba = b)比值定住;系数小的(a<ba < b)被淹没,比值 →0\to 0
        • 生活类比:
          • 两人同时起跑冲刺,谁加速度大谁先到;加速度相同就一直保持固定的距离比
      • 计算(右极限的完整过程):
        • 分子分母同除以 eb/x\mathrm{e}^{b/x}:
          • ea/x−22eb/x+1=e(a−b)/x−2e−b/x2+e−b/x\dfrac{\mathrm{e}^{a/x} - 2}{2\mathrm{e}^{b/x} + 1} = \dfrac{\mathrm{e}^{(a-b)/x} - 2\mathrm{e}^{-b/x}}{2 + \mathrm{e}^{-b/x}}
        • 情形一 a>ba > b:(a−b)/x→+∞(a-b)/x \to +\infty,e(a−b)/x→+∞\mathrm{e}^{(a-b)/x} \to +\infty;同时 e−b/x→0\mathrm{e}^{-b/x} \to 0。得:
          • e(a−b)/x−2e−b/x2+e−b/x→+∞\dfrac{\mathrm{e}^{(a-b)/x} - 2\mathrm{e}^{-b/x}}{2 + \mathrm{e}^{-b/x}} \to +\infty,右极限发散,极限不存在 ✗
        • 情形二 a=ba = b:e(a−b)/x=e0=1\mathrm{e}^{(a-b)/x} = \mathrm{e}^0 = 1,且 e−b/x→0\mathrm{e}^{-b/x} \to 0。得:
          • 1−02+0=12\dfrac{1 - 0}{2 + 0} = \dfrac{1}{2},即右极限 R=12R = \dfrac{1}{2}
        • 情形三 a<ba < b:(a−b)/x→−∞(a-b)/x \to -\infty,e(a−b)/x→0\mathrm{e}^{(a-b)/x} \to 0;e−b/x→0\mathrm{e}^{-b/x} \to 0。得:
          • 0−02+0=0\dfrac{0 - 0}{2 + 0} = 0,即右极限 R=0R = 0
      • 结论:
        • 右极限存在当且仅当 a≤ba \le b;且右极限值为 12\dfrac{1}{2}(a=ba = b)或 00(a<ba < b)
      • 易错点:
        • ① 必须"同除以 eb/x\mathrm{e}^{b/x}"再比较,不能把 ∞∞\frac{\infty}{\infty} 想当然当成 11
        • ② a>ba > b 时右极限发散为 +∞+\infty,任何 cc 都救不回来——因为 x→0+x \to 0^+ 时 [x]=0[x] = 0 恒成立,第二项根本没有贡献
    • 第4步:计算左极限 lim⁡x→0−(ea/x−22eb/x+1+c[x])\lim_{x \to 0^-}\left(\dfrac{\mathrm{e}^{a/x}-2}{2\mathrm{e}^{b/x}+1}+c[x]\right)
      • 本题相关:
        • x→0−x \to 0^- 时:ea/x→0\mathrm{e}^{a/x} \to 0、eb/x→0\mathrm{e}^{b/x} \to 0;且 −1<x<0-1 < x < 0 时 [x]=−1[x] = -1,c[x]=−cc[x] = -c
      • 思路:
        • 左极限里指数项全部归零,第一项不存在"增长速度之争",直接代入;第二项要带上 [x]=−1[x] = -1
      • 计算(左极限的完整过程):
        • 第一项:ea/x−22eb/x+1→0−20+1=−2\dfrac{\mathrm{e}^{a/x} - 2}{2\mathrm{e}^{b/x} + 1} \to \dfrac{0 - 2}{0 + 1} = -2
        • 第二项:c[x]=c⋅(−1)=−cc[x] = c \cdot (-1) = -c
        • 左极限 L=−2−cL = -2 - c
      • 结论:
        • 左极限恒为 −2−c-2 - c,与 aa、bb 无关(a>0a>0、b>0b>0 已保证 ea/x\mathrm{e}^{a/x}、eb/x→0\mathrm{e}^{b/x} \to 0)
      • 易错点:
        • [x][x] 在 (−1,0)(-1, 0) 内是 −1-1 而不是 00——本题的陷阱之一,cc 正是靠这个 −1-1 进入平衡方程
    • 第5步:令左右极限相等,解出 cc
      • 本题相关:
        • 右极限:a=ba = b 时为 12\dfrac{1}{2}、a<ba < b 时为 00、a>ba > b 时不存在;左极限:−2−c-2 - c
      • 思路:
        • 按第3步得到的 aa、bb 三种关系分别令"右极限 == 左极限",解出 cc
      • 计算(解 cc 的完整过程):
        • 若 a>ba > b:右极限不存在 → 原极限必不存在,任何 cc 都不行 ✗
        • 若 a=ba = b:12=−2−c\dfrac{1}{2} = -2 - c,得 −c=12+2=52-c = \dfrac{1}{2} + 2 = \dfrac{5}{2},即 c=−52c = -\dfrac{5}{2}
        • 若 a<ba < b:0=−2−c0 = -2 - c,即 c=−2c = -2
      • 易错点:
        • 移项符号:−2−c=12⇒c=−52-2 - c = \dfrac{1}{2} \Rightarrow c = -\dfrac{5}{2}(先得 −c=52-c = \dfrac{5}{2},再得 c=−52c = -\dfrac{5}{2},符号别弄反)
    • 第6步:验证并汇总最终条件
      • 本题相关:
        • 候选答案:① a<ba < b 且 c=−2c = -2;② a=ba = b 且 c=−52c = -\dfrac{5}{2};③ a>ba > b 且 cc 任意
      • 思路:
        • 把候选答案代回原表达式,检验左、右极限确实都存在且相等
      • 计算(验证的完整过程):
        • 检验① a<ba < b、c=−2c = -2:右极限 =0= 0;左极限 =−2−(−2)=0= -2 - (-2) = 0;左右相等 ✓,极限值 =0= 0
        • 检验② a=ba = b、c=−52c = -\dfrac{5}{2}:右极限 =12= \dfrac{1}{2};左极限 =−2−(−52)=−2+52=12= -2 - \left(-\dfrac{5}{2}\right) = -2 + \dfrac{5}{2} = \dfrac{1}{2};左右相等 ✓,极限值 =12= \dfrac{1}{2}
        • 检验③ a>ba > b:右极限 =+∞= +\infty,左右不可能相等 ✗
      • 结论:
        • 满足条件的参数为:0<a≤b0 < a \le b,且 a=ba = b 时 c=−52c = -\dfrac{5}{2},a<ba < b 时 c=−2c = -2
    • 全题知识地图:
      • 极限存在 ⇔ 左右极限存在且相等 → 右极限:[x]=0[x] = 0 + 指数增长比较(同除 eb/x\mathrm{e}^{b/x};a>ba > b 发散 ✗、a=ba = b 得 12\dfrac{1}{2}、a<ba < b 得 00)→ a≤ba \le b;左极限:[x]=−1[x] = -1 + ea/x→0\mathrm{e}^{a/x} \to 0 → −2−c-2 - c;左右相等 → a=ba = b 时 c=−52c = -\dfrac{5}{2},a<ba < b 时 c=−2c = -2
    • 最终答案:
      • 0<a≤b0 < a \le b;且当 a=ba = b 时 c=−52c = -\dfrac{5}{2},当 a<ba < b 时 c=−2c = -2

【例二】
- 已知极限 lim⁡x→0(eax−22ebx+1+c[x])\lim_{x \to 0} \left( \dfrac{\mathrm{e}^{\frac{a}{x}} - 2}{2\mathrm{e}^{\frac{b}{x}} + 1} + c[x] \right) 存在,且 a>0a > 0,b>0b > 0,c∈Rc \in \mathbb{R},求参数 a,b,ca, b, c 满足的条件(其中 [x][x] 表示取整函数,即不超过 xx 的最大整数)

  • 【解题】

    • 题目类型:
      • 极限存在性讨论题(参数讨论:指数函数主导项比较 + 取整函数 + 左右极限)
    • 解题思路:
      • lim⁡x→0f(x)\lim_{x \to 0} f(x) 存在(有限值)⟺ 左、右极限都存在且相等,所以先分别求右极限、左极限,最后令二者相等
      • 右极限:x→0+x \to 0^+ 时 [x]=0[x] = 0,c[x]c[x] 无贡献;第一项的分子、分母都 →+∞\to +\infty,是"两个无穷大之比"。教科书手法是同时提出 eax\mathrm{e}^{\frac{a}{x}}、ebx\mathrm{e}^{\frac{b}{x}},把整个式子写成 ea−bx⋅1−2e−a/x2+e−b/x\mathrm{e}^{\frac{a-b}{x}} \cdot \dfrac{1 - 2\mathrm{e}^{-a/x}}{2 + \mathrm{e}^{-b/x}},其中后面的因子 →12\to \dfrac{1}{2}——于是"主导项" ea−bx\mathrm{e}^{\frac{a-b}{x}} 一目了然,右极限 =12lim⁡x→0+ea−bx= \dfrac{1}{2}\lim_{x \to 0^+} \mathrm{e}^{\frac{a-b}{x}}
      • 左极限:x→0−x \to 0^- 时 eax\mathrm{e}^{\frac{a}{x}}、ebx→0\mathrm{e}^{\frac{b}{x}} \to 0,第一项恒 →−2\to -2;且 [x]=−1[x] = -1,故左极限 =−2−c= -2 - c(与 a,ba, b 无关)
      • 关键一步:题设极限存在(有限)⟹ 右极限有限 ⟹ lim⁡x→0+ea−bx\lim_{x \to 0^+} \mathrm{e}^{\frac{a-b}{x}} 必须存在且有限 ⟹ 若 a−b>0a - b > 0 它发散到 +∞+\infty,矛盾,故 a−b≤0a - b \le 0
      • 再分类:a−b<0a - b < 0 时右极限 =0= 0,a−b=0a - b = 0 时右极限 =12= \dfrac{1}{2};令 −2−c-2 - c 等于右极限,即得 c=−2c = -2 或 c=−52c = -\dfrac{5}{2}
    • 解答:
      • ① 求右极限 lim⁡x→0+\lim_{x \to 0^+}:
        • 当 0<x<10 < x < 1 时 [x]=0[x] = 0,故 c[x]=0c[x] = 0,右极限只由第一项决定
        • 分子提出 eax\mathrm{e}^{\frac{a}{x}}、分母提出 ebx\mathrm{e}^{\frac{b}{x}}:
          • eax−22ebx+1=eax(1−2e−ax)ebx(2+e−bx)=ea−bx⋅1−2e−ax2+e−bx\dfrac{\mathrm{e}^{\frac{a}{x}} - 2}{2\mathrm{e}^{\frac{b}{x}} + 1} = \dfrac{\mathrm{e}^{\frac{a}{x}}\left(1 - 2\mathrm{e}^{-\frac{a}{x}}\right)}{\mathrm{e}^{\frac{b}{x}}\left(2 + \mathrm{e}^{-\frac{b}{x}}\right)} = \mathrm{e}^{\frac{a-b}{x}} \cdot \dfrac{1 - 2\mathrm{e}^{-\frac{a}{x}}}{2 + \mathrm{e}^{-\frac{b}{x}}}
        • x→0+x \to 0^+ 时 e−ax→0\mathrm{e}^{-\frac{a}{x}} \to 0、e−bx→0\mathrm{e}^{-\frac{b}{x}} \to 0,故 1−2e−a/x2+e−b/x→1−02+0=12\dfrac{1 - 2\mathrm{e}^{-a/x}}{2 + \mathrm{e}^{-b/x}} \to \dfrac{1 - 0}{2 + 0} = \dfrac{1}{2}
        • 所以右极限 =12lim⁡x→0+ea−bx= \dfrac{1}{2}\lim_{x \to 0^+} \mathrm{e}^{\frac{a-b}{x}}
      • ② 求左极限 lim⁡x→0−\lim_{x \to 0^-}:
        • 当 −1<x<0-1 < x < 0 时 [x]=−1[x] = -1,故 c[x]=−cc[x] = -c
        • x→0−x \to 0^- 时 ax→−∞\frac{a}{x} \to -\infty、bx→−∞\frac{b}{x} \to -\infty,故 eax→0\mathrm{e}^{\frac{a}{x}} \to 0、ebx→0\mathrm{e}^{\frac{b}{x}} \to 0
        • 第一项 →0−20+1=−2\to \dfrac{0 - 2}{0 + 1} = -2,故左极限 =−2−c= -2 - c(与 a,ba, b 无关)
      • ③ 由"极限存在"定 a−ba - b 的范围:
        • 极限存在(有限值)⟹ 右极限必须为有限值
        • 右极限 =12lim⁡x→0+ea−bx= \dfrac{1}{2}\lim_{x \to 0^+} \mathrm{e}^{\frac{a-b}{x}} 有限 ⟹ lim⁡x→0+ea−bx\lim_{x \to 0^+} \mathrm{e}^{\frac{a-b}{x}} 存在且有限
        • 若 a−b>0a - b > 0,则 a−bx→+∞\frac{a-b}{x} \to +\infty,ea−bx→+∞\mathrm{e}^{\frac{a-b}{x}} \to +\infty,发散,矛盾
        • 故 a−b≤0a - b \le 0,即 a≤ba \le b
      • ④ 分情况解 cc:
        • 情形一:a−b<0a - b < 0:
          • lim⁡x→0+ea−bx=0\lim_{x \to 0^+} \mathrm{e}^{\frac{a-b}{x}} = 0(a−bx→−∞\frac{a-b}{x} \to -\infty),右极限 =12×0=0= \dfrac{1}{2} \times 0 = 0
          • 由左右极限相等:0=−2−c0 = -2 - c,得 c=−2c = -2
        • 情形二:a−b=0a - b = 0:
          • ea−bx=e0=1\mathrm{e}^{\frac{a-b}{x}} = \mathrm{e}^0 = 1,右极限 =12×1=12= \dfrac{1}{2} \times 1 = \dfrac{1}{2}
          • 由左右极限相等:12=−2−c\dfrac{1}{2} = -2 - c,得 c=−52c = -\dfrac{5}{2}
      • ⑤ 验证:
        • a<ba < b、c=−2c = -2:右极限 =0= 0,左极限 =−2−(−2)=0= -2 - (-2) = 0,相等 ✓,此时极限值 =0= 0
        • a=ba = b、c=−52c = -\dfrac{5}{2}:右极限 =12= \dfrac{1}{2},左极限 =−2+52=12= -2 + \dfrac{5}{2} = \dfrac{1}{2},相等 ✓,此时极限值 =12= \dfrac{1}{2}
    • 最终答案:
      • 0<a≤b0 < a \le b(即 a−b≤0a - b \le 0);且当 a<ba < b 时 c=−2c = -2;当 a=ba = b 时 c=−52c = -\dfrac{5}{2}
  • 【分析模块】

    • 本题题目:
      • 已知极限 lim⁡x→0(eax−22ebx+1+c[x])\lim_{x \to 0} \left( \dfrac{\mathrm{e}^{\frac{a}{x}} - 2}{2\mathrm{e}^{\frac{b}{x}} + 1} + c[x] \right) 存在,且 a>0a > 0,b>0b > 0,c∈Rc \in \mathbb{R},求参数 a,b,ca, b, c 满足的条件(其中 [x][x] 表示取整函数,即不超过 xx 的最大整数)
    • 解题思路:
      • 本题是"极限存在性"参数讨论题,主线是极限存在 ⟺ 左右极限都存在且相等,且存在指有限值
      • 右极限:x→0+x \to 0^+ 时 [x]=0[x] = 0;第一项中 eax\mathrm{e}^{\frac{a}{x}}、ebx\mathrm{e}^{\frac{b}{x}} 都 →+∞\to +\infty,教科书手法是同时提出这两个公因式,写成 ea−bx⋅(→12 的因子)\mathrm{e}^{\frac{a-b}{x}} \cdot \left( \to \frac12 \text{ 的因子}\right),一眼看出主导项 ea−bx\mathrm{e}^{\frac{a-b}{x}}
      • 左极限:x→0−x \to 0^- 时 eax\mathrm{e}^{\frac{a}{x}}、ebx→0\mathrm{e}^{\frac{b}{x}} \to 0,第一项 →−2\to -2;且 [x]=−1[x] = -1,故左极限 =−2−c= -2 - c
      • 由右极限必须有限 ⟹ lim⁡x→0+ea−bx\lim_{x \to 0^+} \mathrm{e}^{\frac{a-b}{x}} 存在有限 ⟹ a−b≤0a - b \le 0
      • 最后分 a−b<0a - b < 0 与 a−b=0a - b = 0 两种情况,令 −2−c-2 - c 等于右极限,解出 cc
    • 知识点大纲:
      • 主流程:极限存在性 → 左右极限存在且相等 → 右极限(提取公因式,主导项 ea−bx\mathrm{e}^{\frac{a-b}{x}})→ 左极限(eax→0\mathrm{e}^{\frac{a}{x}} \to 0)→ 有限性 → a−b≤0a - b \le 0 → 左右相等 → 解 cc
      • 右极限(x→0+x \to 0^+):取整函数 [x]=0[x] = 0 + 提取 eax\mathrm{e}^{\frac{a}{x}}、ebx\mathrm{e}^{\frac{b}{x}}(主导项法) → =12lim⁡ea−bx= \dfrac{1}{2}\lim \mathrm{e}^{\frac{a-b}{x}}
      • 左极限(x→0−x \to 0^-):取整函数 [x]=−1[x] = -1 + eax→0\mathrm{e}^{\frac{a}{x}} \to 0 → −2−c-2 - c
      • 定参数:极限存在的有限性 → a−b≤0a - b \le 0 + 左右极限相等 → c=−2c = -2(a<ba < b) / c=−52c = -\dfrac{5}{2}(a=ba = b)
  • 【学习模块】

    • 第1步:先弄清题意——"极限 lim⁡x→0(ea/x−22eb/x+1+c[x])\lim_{x \to 0}\left(\dfrac{\mathrm{e}^{a/x} - 2}{2\mathrm{e}^{b/x} + 1} + c[x]\right) 存在"意味着什么
      • 本题相关:
        • 题目给出含参数 a,b,ca, b, c 的极限式 lim⁡x→0(ea/x−22eb/x+1+c[x])\lim_{x \to 0}\left(\dfrac{\mathrm{e}^{a/x} - 2}{2\mathrm{e}^{b/x} + 1} + c[x]\right),已知它存在,求 a,b,ca, b, c 满足的条件
      • 思路:
        • "极限存在"等价于左、右极限都存在且相等(且为有限值);把两侧极限分别算出来,再令相等,就能解出参数
      • 知识点(极限存在的充要条件):
        • 严谨定义:
          • lim⁡x→x0f(x)=A\lim_{x \to x_0} f(x) = A(AA 为有限常数)⟺ lim⁡x→x0−f(x)=lim⁡x→x0+f(x)=A\lim_{x \to x_0^-} f(x) = \lim_{x \to x_0^+} f(x) = A;若其中一侧趋向 +∞+\infty(发散),则极限不存在
        • 通俗讲解:
          • 从 00 左侧(负数一边)和右侧(正数一边)分别逼近 x=0x = 0,两边算出的"趋势值"必须是同一个确定的数,极限才算存在;奔着无穷大去的不算存在
      • 知识点(取整函数 [x][x]):
        • 严谨定义:
          • [x]=max⁡{n∈Z∣n≤x}[x] = \max\{ n \in \mathbb{Z} \mid n \le x \},即不超过 xx 的最大整数(等于向下取整 ⌊x⌋\lfloor x \rfloor)。当 0≤x<10 \le x < 1 时 [x]=0[x] = 0;当 −1≤x<0-1 \le x < 0 时 [x]=−1[x] = -1
        • 通俗讲解:
          • 向"下"取整:0.9→00.9 \to 0;−0.1→−1-0.1 \to -1(−1-1 是不超过 −0.1-0.1 的最大整数,不是 00)
    • 第2步:观察 ea/x\mathrm{e}^{a/x}、eb/x\mathrm{e}^{b/x} 与 [x][x] 在 x→0+x \to 0^+、x→0−x \to 0^- 的不同行为
      • 本题相关:
        • 原式分两部分:第一项 ea/x−22eb/x+1\dfrac{\mathrm{e}^{a/x} - 2}{2\mathrm{e}^{b/x} + 1},第二项 c[x]c[x]
      • 思路:
        • 先摸清 xx 从正、负两侧接近 00 时 ea/x\mathrm{e}^{a/x}、eb/x\mathrm{e}^{b/x} 和 [x][x] 各走向哪里——这决定第一项、第二项的极限
      • 知识点(x→0x \to 0 时 e1/x\mathrm{e}^{1/x} 的左右极限):
        • 严谨定义:
          • lim⁡x→0+e1/x=+∞\lim_{x \to 0^+} \mathrm{e}^{1/x} = +\infty(此时 1/x→+∞1/x \to +\infty);lim⁡x→0−e1/x=0\lim_{x \to 0^-} \mathrm{e}^{1/x} = 0(此时 1/x→−∞1/x \to -\infty)
        • 通俗讲解:
          • 指数函数 et\mathrm{e}^t:自变量 t→+∞t \to +\infty 时爆炸增长到 +∞+\infty;t→−∞t \to -\infty 时被压到 00
      • 计算(左右行为的完整过程):
        • x→0+x \to 0^+(如 x=0.001x = 0.001):ax→+∞\dfrac{a}{x} \to +\infty,ea/x→+∞\mathrm{e}^{a/x} \to +\infty;bx→+∞\dfrac{b}{x} \to +\infty,eb/x→+∞\mathrm{e}^{b/x} \to +\infty;且 0<x<10 < x < 1 时 [x]=0[x] = 0,故 c[x]=0c[x] = 0
        • x→0−x \to 0^-(如 x=−0.001x = -0.001):ax→−∞\dfrac{a}{x} \to -\infty,ea/x→0\mathrm{e}^{a/x} \to 0;bx→−∞\dfrac{b}{x} \to -\infty,eb/x→0\mathrm{e}^{b/x} \to 0;且 −1<x<0-1 < x < 0 时 [x]=−1[x] = -1,故 c[x]=−cc[x] = -c
      • 结论:
        • 左右两侧完全不同:右侧指数双双爆炸,左侧指数双双归零;[x][x] 在 x=0x = 0 处从 00 跳到 −1-1(从右侧看是 00,从左侧看是 −1-1)
    • 第3步:计算右极限 lim⁡x→0+(ea/x−22eb/x+1+c[x])\lim_{x \to 0^+}\left(\dfrac{\mathrm{e}^{a/x} - 2}{2\mathrm{e}^{b/x} + 1} + c[x]\right)——提取公因式找"主导项" ea−bx\mathrm{e}^{\frac{a-b}{x}}
      • 本题相关:
        • x→0+x \to 0^+ 时 [x]=0[x] = 0,故右极限 R=lim⁡x→0+ea/x−22eb/x+1R = \lim_{x \to 0^+} \dfrac{\mathrm{e}^{a/x} - 2}{2\mathrm{e}^{b/x} + 1},而分子分母都 →+∞\to +\infty
      • 思路:
        • "两个无穷大之比"要看谁增长得快——即 ea/x\mathrm{e}^{a/x} 与 eb/x\mathrm{e}^{b/x} 谁快,取决于 aa 与 bb 的大小。教科书的技巧:分子分母同时提出公因式(分子提 ea/x\mathrm{e}^{a/x}、分母提 eb/x\mathrm{e}^{b/x}),让主导项 ea−bx\mathrm{e}^{\frac{a-b}{x}} 单独露出来
      • 知识点(指数增长比较/主导项法):
        • 严谨定义:
          • 当 x→0+x \to 0^+ 时,ep/xeq/x=e(p−q)/x\dfrac{\mathrm{e}^{p/x}}{\mathrm{e}^{q/x}} = \mathrm{e}^{(p-q)/x}:若 p>qp > q 则 →+∞\to +\infty;若 p=qp = q 则恒等于 11;若 p<qp < q 则 →0\to 0。并且(乘积的极限法则)若 lim⁡u(x)\lim u(x) 与 lim⁡v(x)\lim v(x) 都存在(有限),则 lim⁡u(x)v(x)=lim⁡u(x)⋅lim⁡v(x)\lim u(x) v(x) = \lim u(x) \cdot \lim v(x)
        • 通俗讲解:
          • 两个都冲向 +∞+\infty 的指数函数,谁"指数系数"大谁碾压谁;先把无关紧要的"小尾巴"(−2-2、+1+1 与 e−a/xe^{-a/x}、e−b/xe^{-b/x})抖掉,剩下的主导项 ea−bx\mathrm{e}^{\frac{a-b}{x}} 就决定一切
        • 生活类比:
          • 两队同时比赛冲刺,各自实力(指数系数)决定胜负;先把各自队伍里"陪跑的小兵"(−2-\frac{2}{} 这类小项)请出画面,比较两队的主力军就行
      • 计算(右极限的完整过程):
        • 分子提出 eax\mathrm{e}^{\frac{a}{x}}:eax−2=eax(1−2e−ax)\mathrm{e}^{\frac{a}{x}} - 2 = \mathrm{e}^{\frac{a}{x}}\left(1 - 2\mathrm{e}^{-\frac{a}{x}}\right)
        • 分母提出 ebx\mathrm{e}^{\frac{b}{x}}:2ebx+1=ebx(2+e−bx)2\mathrm{e}^{\frac{b}{x}} + 1 = \mathrm{e}^{\frac{b}{x}}\left(2 + \mathrm{e}^{-\frac{b}{x}}\right)
        • 相除:eax−22ebx+1=ea−bx⋅1−2e−ax2+e−bx\dfrac{\mathrm{e}^{\frac{a}{x}} - 2}{2\mathrm{e}^{\frac{b}{x}} + 1} = \mathrm{e}^{\frac{a-b}{x}} \cdot \dfrac{1 - 2\mathrm{e}^{-\frac{a}{x}}}{2 + \mathrm{e}^{-\frac{b}{x}}}
        • x→0+x \to 0^+ 时 e−ax→0\mathrm{e}^{-\frac{a}{x}} \to 0、e−bx→0\mathrm{e}^{-\frac{b}{x}} \to 0,所以 1−2e−a/x2+e−b/x→1−02+0=12\dfrac{1 - 2\mathrm{e}^{-a/x}}{2 + \mathrm{e}^{-b/x}} \to \dfrac{1 - 0}{2 + 0} = \dfrac{1}{2}
        • 由乘积的极限法则:R=12lim⁡x→0+ea−bxR = \dfrac{1}{2}\lim_{x \to 0^+} \mathrm{e}^{\frac{a-b}{x}}
      • 结论:
        • 右极限 =12lim⁡x→0+ea−bx= \dfrac{1}{2}\lim_{x \to 0^+} \mathrm{e}^{\frac{a-b}{x}}——问题转化为 ea−bx\mathrm{e}^{\frac{a-b}{x}} 的行为,而它完全由 a−ba - b 的符号决定
      • 易错点:
        • ① 分子分母同为 +∞+\infty 时不能直接把比值看成 11,必须比较增长速度(提取公因式)
        • ② 提取后系数别丢:括号因子极限是 12\dfrac{1}{2},最终右极限带有这个 12\dfrac{1}{2}
        • ③ x→0+x \to 0^+ 时 [x]=0[x] = 0,第二项 c[x]c[x] 等于 00——不能指望它来抵消发散项
    • 第4步:计算左极限 lim⁡x→0−(ea/x−22eb/x+1+c[x])\lim_{x \to 0^-}\left(\dfrac{\mathrm{e}^{a/x} - 2}{2\mathrm{e}^{b/x} + 1} + c[x]\right)
      • 本题相关:
        • x→0−x \to 0^- 时:ea/x→0\mathrm{e}^{a/x} \to 0、eb/x→0\mathrm{e}^{b/x} \to 0;且 −1<x<0-1 < x < 0 时 [x]=−1[x] = -1,c[x]=−cc[x] = -c
      • 思路:
        • 左侧指数项全部归零,第一项没有"增长速度之争",直接代入;第二项带上 [x]=−1[x] = -1
      • 计算(左极限的完整过程):
        • 第一项:ea/x−22eb/x+1→0−20+1=−2\dfrac{\mathrm{e}^{a/x} - 2}{2\mathrm{e}^{b/x} + 1} \to \dfrac{0 - 2}{0 + 1} = -2
        • 第二项:c[x]=c⋅(−1)=−cc[x] = c \cdot (-1) = -c
        • 左极限 L=−2−cL = -2 - c
      • 结论:
        • 左极限恒为 −2−c-2 - c,与 aa、bb 无关(题设 a,b>0a, b > 0 保证了 ea/x\mathrm{e}^{a/x}、eb/x→0\mathrm{e}^{b/x} \to 0)
      • 易错点:
        • [x][x] 在 (−1,0)(-1, 0) 内是 −1-1 而不是 00——这是本题的陷阱之一,cc 正是靠这个 −1-1 进入方程
    • 第5步:由"极限存在(有限)"定出 a−b≤0a - b \le 0
      • 本题相关:
        • 右极限 =12lim⁡x→0+ea−bx= \dfrac{1}{2}\lim_{x \to 0^+} \mathrm{e}^{\frac{a-b}{x}};左极限 =−2−c= -2 - c(已是确定的有限数)
      • 思路:
        • 题设极限存在(有限),则右极限必须是有限值,从而 lim⁡x→0+ea−bx\lim_{x \to 0^+} \mathrm{e}^{\frac{a-b}{x}} 必须存在且有限;用反证排除 a−b>0a - b > 0
      • 知识点(发散与"极限存在"的区别):
        • 严谨定义:
          • "lim⁡f(x)\lim f(x) 存在"指的是存在有限常数 AA 使 lim⁡f(x)=A\lim f(x) = A;若 lim⁡f(x)=+∞\lim f(x) = +\infty,称极限发散,极限不存在。且若 lim⁡x→x0f(x)=A\lim_{x \to x_0} f(x) = A(有限),则 lim⁡x→x0±f(x)=A\lim_{x \to x_0^\pm} f(x) = A
        • 通俗讲解:
          • "存在"=趋近于某个确定的数;跑向 +∞+\infty(无穷大)不算——就像"跑到终点"才算到达,"越跑越快永远不刹车"不算
      • 计算(判定 a−ba - b 范围的完整过程):
        • 若 a−b>0a - b > 0:则 x→0+x \to 0^+ 时 a−bx→+∞\dfrac{a - b}{x} \to +\infty,ea−bx→+∞\mathrm{e}^{\frac{a-b}{x}} \to +\infty,右极限 =12⋅(+∞)=+∞= \dfrac{1}{2} \cdot (+\infty) = +\infty,与"左右极限相等且为有限值"矛盾 ✗
        • 若 a−b≤0a - b \le 0:ea−bx\mathrm{e}^{\frac{a-b}{x}} 收敛(a−b=0a - b = 0 时代入恒为 11;a−b<0a - b < 0 时趋于 00),右极限有限 ✓
        • 故 a−b≤0a - b \le 0,即 a≤ba \le b
      • 易错点:
        • "极限存在"默认是有限极限;算出右极限为 +∞+\infty 等于宣告失败,不是题目要的"存在"
    • 第6步:分两种情况解出 cc
      • 本题相关:
        • 右极限 R=12lim⁡x→0+ea−bxR = \dfrac{1}{2}\lim_{x \to 0^+} \mathrm{e}^{\frac{a-b}{x}};左极限 L=−2−cL = -2 - c;已得 a−b≤0a - b \le 0
      • 思路:
        • 剩下只有两种情形,分别计算右极限的值,再与 L=−2−cL = -2 - c 相等解 cc
      • 计算(解 cc 的完整过程):
        • 情形一 a−b<0a - b < 0:a−bx→−∞\dfrac{a - b}{x} \to -\infty,ea−bx→0\mathrm{e}^{\frac{a-b}{x}} \to 0,右极限 =12×0=0= \dfrac{1}{2} \times 0 = 0;由 0=−2−c0 = -2 - c 得 c=−2c = -2
        • 情形二 a−b=0a - b = 0:ea−bx=e0=1\mathrm{e}^{\frac{a-b}{x}} = \mathrm{e}^0 = 1,右极限 =12×1=12= \dfrac{1}{2} \times 1 = \dfrac{1}{2};由 12=−2−c\dfrac{1}{2} = -2 - c 得 −c=52-c = \dfrac{5}{2},即 c=−52c = -\dfrac{5}{2}
      • 易错点:
        • 移项符号:−2−c=12⇒c=−52-2 - c = \dfrac{1}{2} \Rightarrow c = -\dfrac{5}{2}(先得 −c=52-c = \dfrac{5}{2},再得 c=−52c = -\dfrac{5}{2})
        • a−b=0a - b = 0 时不是"指数消失",而是 e0=1\mathrm{e}^0 = 1——别忘了贡献值 12\dfrac{1}{2}
    • 第7步:验证并汇总最终条件
      • 本题相关:
        • 候选答案:① a<ba < b 且 c=−2c = -2;② a=ba = b 且 c=−52c = -\dfrac{5}{2};③ a>ba > b 且 cc 任意
      • 思路:
        • 把候选答案代回原表达式,检验左、右极限确实都存在且相等
      • 计算(验证的完整过程):
        • 检验① a<ba < b、c=−2c = -2:右极限 =0= 0;左极限 =−2−(−2)=0= -2 - (-2) = 0;左右相等 ✓,极限值 =0= 0
        • 检验② a=ba = b、c=−52c = -\dfrac{5}{2}:右极限 =12= \dfrac{1}{2};左极限 =−2−(−52)=−2+52=12= -2 - \left(-\dfrac{5}{2}\right) = -2 + \dfrac{5}{2} = \dfrac{1}{2};左右相等 ✓,极限值 =12= \dfrac{1}{2}
        • 检验③ a>ba > b:右极限 =+∞= +\infty,与左极限有限矛盾 ✗
      • 结论:
        • 满足条件的参数为:0<a≤b0 < a \le b;当 a<ba < b 时 c=−2c = -2;当 a=ba = b 时 c=−52c = -\dfrac{5}{2}
      • 意义:
        • 本题是考研极常见的一类"极限存在性 + 参数求解"题:先看左、右两侧指数的走向(左右极限),再提取公因式找主导项,最后由"极限存在 ⟹ 右极限有限"一步排除发散的参数范围——这个"有限性"判断技巧比逐情形试算快得多,务必掌握
    • 全题知识地图:
      • 极限存在 ⇔ 左右极限存在且相等(有限) → 右极限:[x]=0[x] = 0 + 提取 eax\mathrm{e}^{\frac{a}{x}}、ebx\mathrm{e}^{\frac{b}{x}}(主导项法) → =12lim⁡ea−bx= \dfrac{1}{2}\lim \mathrm{e}^{\frac{a-b}{x}};左极限:[x]=−1[x] = -1 + eax→0\mathrm{e}^{\frac{a}{x}} \to 0 → −2−c-2 - c → 有限性 → a−b≤0a - b \le 0 → 左右相等 → a<ba < b 时 c=−2c = -2,a=ba = b 时 c=−52c = -\dfrac{5}{2}
    • 最终答案:
      • 0<a≤b0 < a \le b;且当 a<ba < b 时 c=−2c = -2;当 a=ba = b 时 c=−52c = -\dfrac{5}{2}

第四节 无穷小与无穷大


  • 【例1】

    • 当 x→0+x \to 0^+ 时,与 x\sqrt{x} 等价的无穷小量是(  )
      • (A) 1+x−1\sqrt{1 + \sqrt{x}} - 1
      • (B) ln⁡(1+x)\ln(1 + \sqrt{x})
      • (C) 1−cos⁡x1 - \cos\sqrt{x}
      • (D) 1−ex1 - \mathrm{e}^{\sqrt{x}}
  • 【解题】

    • 题目类型:
      • 选择题(等价无穷小判断)
    • 解题思路:
      • 等价无穷小的判断标准是比值极限等于 1:lim⁡αβ=1\lim \dfrac{\alpha}{\beta} = 1 才称 α∼β\alpha \sim \beta
      • 令 u=xu = \sqrt{x}(当 x→0+x \to 0^+ 时,u→0+u \to 0^+),用常用等价无穷小公式把每个选项化为 uu 的等价形式
      • 再与 x\sqrt{x}(即 uu)作比,看比值极限是否为 11:等于 11 的选项即为答案
    • 解答:
      • ① 判断 (A):1+x−1\sqrt{1 + \sqrt{x}} - 1
        • 令 u=x→0u = \sqrt{x} \to 0,由公式 (1+u)α−1∼αu(1+u)^\alpha - 1 \sim \alpha u(α=12\alpha = \frac12):
          • 1+u−1∼12u=12x\sqrt{1+u} - 1 \sim \dfrac{1}{2} u = \dfrac{1}{2}\sqrt{x}
        • 与 x\sqrt{x} 作比:12xx=12≠1\dfrac{\frac12\sqrt{x}}{\sqrt{x}} = \dfrac{1}{2} \ne 1 → 不等价 ✗
      • ② 判断 (B):ln⁡(1+x)\ln(1 + \sqrt{x})
        • 令 u=x→0u = \sqrt{x} \to 0,由公式 ln⁡(1+u)∼u\ln(1+u) \sim u:
          • ln⁡(1+u)∼u=x\ln(1+u) \sim u = \sqrt{x}
        • 与 x\sqrt{x} 作比:xx=1\dfrac{\sqrt{x}}{\sqrt{x}} = 1 → 等价 ✓
      • ③ 判断 (C):1−cos⁡x1 - \cos\sqrt{x}
        • 令 u=x→0u = \sqrt{x} \to 0,由公式 1−cos⁡u∼u221 - \cos u \sim \dfrac{u^2}{2}:
          • 1−cos⁡u∼u22=x21 - \cos u \sim \dfrac{u^2}{2} = \dfrac{x}{2}
        • 与 x\sqrt{x} 作比:x/2x=x2→0≠1\dfrac{x/2}{\sqrt{x}} = \dfrac{\sqrt{x}}{2} \to 0 \ne 1 → 不等价(是 x\sqrt{x} 的高阶无穷小)✗
      • ④ 判断 (D):1−ex1 - \mathrm{e}^{\sqrt{x}}
        • 令 u=x→0u = \sqrt{x} \to 0,由公式 eu−1∼u\mathrm{e}^u - 1 \sim u 得 1−eu∼−u1 - \mathrm{e}^u \sim -u:
          • 1−eu∼−u=−x1 - \mathrm{e}^u \sim -u = -\sqrt{x}
        • 与 x\sqrt{x} 作比:−xx=−1≠1\dfrac{-\sqrt{x}}{\sqrt{x}} = -1 \ne 1 → 不等价(同阶但符号相反)✗
      • ⑤ 综合:只有 (B) 与 x\sqrt{x} 的比值极限为 11
    • 最终答案:
      • B
  • 【分析模块】

    • 本题题目:
      • 当 x→0+x \to 0^+ 时,与 x\sqrt{x} 等价的无穷小量是(  )
        • (A) 1+x−1\sqrt{1 + \sqrt{x}} - 1
        • (B) ln⁡(1+x)\ln(1 + \sqrt{x})
        • (C) 1−cos⁡x1 - \cos\sqrt{x}
        • (D) 1−ex1 - \mathrm{e}^{\sqrt{x}}
    • 解题思路:
      • 判断等价无穷小的唯一标准:比值极限为 1
      • 令 u=xu = \sqrt{x},把四个选项分别用等价无穷小公式化为 uu 的等价形式
      • 逐一与 uu(即 x\sqrt{x})作比:比值极限为 11 的是答案,其余排除
    • 知识点大纲:
      • 主流程:等价无穷小定义 → 常用等价公式 → 换元 u=xu = \sqrt{x} → 逐项作比 → 选 B
      • 关键工具:(1+u)α−1∼αu(1+u)^\alpha - 1 \sim \alpha u + ln⁡(1+u)∼u\ln(1+u) \sim u + 1−cos⁡u∼u221 - \cos u \sim \dfrac{u^2}{2} + eu−1∼u\mathrm{e}^u - 1 \sim u
  • 【学习模块】

    • 第1步:先弄清题目要我们做什么——在 (A)(B)(C)(D) 中找出与 x\sqrt{x} 等价的无穷小量
      • 本题相关:
        • 题目问:当 x→0+x \to 0^+ 时,与 x\sqrt{x} 等价的无穷小量是 (A)(B)(C)(D) 四个选项中的哪一个
      • 思路:
        • 题目问"与 x\sqrt{x} 等价的无穷小量"——即四个选项中,谁的比值极限(除以 x\sqrt{x})等于 11
      • 知识点(什么是无穷小与等价无穷小):
        • 严谨定义:
          • 若 lim⁡x→x0α(x)=0\lim_{x \to x_0} \alpha(x) = 0,称 α(x)\alpha(x) 为 x→x0x \to x_0 时的无穷小量;若 lim⁡α(x)β(x)=1\lim \dfrac{\alpha(x)}{\beta(x)} = 1,称 α\alpha 与 β\beta 是等价无穷小,记 α∼β\alpha \sim \beta
        • 通俗讲解:
          • 两个都趋于 00 的量,如果它们"趋于 00 的速度一样快"(比值趋近 11),就是等价无穷小
        • 生活类比:
          • 两辆车同时冲向终点,若它们速度几乎相同(比值接近 11),可说"速度等价"
      • 易错点:
        • 等价要求比值极限严格等于 1;比值是其他非零常数(如 12\frac12、−1-1)只能算同阶,不算等价
    • 第2步:准备工具——令 u=xu = \sqrt{x} 套等价公式
      • 本题相关:
        • 四个选项 (A) 1+x−1\sqrt{1+\sqrt{x}}-1、(B) ln⁡(1+x)\ln(1+\sqrt{x})、(C) 1−cos⁡x1-\cos\sqrt{x}、(D) 1−ex1-\mathrm{e}^{\sqrt{x}} 都含 x\sqrt{x},令 u=xu = \sqrt{x}
      • 思路:
        • 四个选项都含 x\sqrt{x},令 u=xu = \sqrt{x} 后都能套用 u→0u \to 0 时的基本公式
      • 知识点(常用等价无穷小公式,u→0u \to 0 时):
        • 严谨定义:
          • sin⁡u∼u\sin u \sim u;tan⁡u∼u\tan u \sim u;arcsin⁡u∼u\arcsin u \sim u;arctan⁡u∼u\arctan u \sim u
          • ln⁡(1+u)∼u\ln(1+u) \sim u;eu−1∼u\mathrm{e}^u - 1 \sim u
          • (1+u)α−1∼αu(1+u)^\alpha - 1 \sim \alpha u
          • 1−cos⁡u∼u221 - \cos u \sim \dfrac{u^2}{2}
        • 通俗讲解:
          • 这些公式相当于"翻译表"——把复杂的式子翻译成最简单的 uu 的幂,方便比较
      • 易错点:
        • 1−cos⁡u1 - \cos u 等价于 u22\dfrac{u^2}{2}(平方阶),不是 uu 阶——这是本题选项 (C) 的陷阱
    • 第3步:逐项判断——(A) 1+x−1\sqrt{1+\sqrt{x}} - 1
      • 本题相关:
        • 选项 (A) 为 1+x−1\sqrt{1+\sqrt{x}} - 1,需判断 lim⁡x→0+1+x−1x\lim_{x \to 0^+}\dfrac{\sqrt{1+\sqrt{x}} - 1}{\sqrt{x}} 是否等于 11
      • 思路:
        • 把 u=xu = \sqrt{x} 代入,套公式 (1+u)α−1∼αu(1+u)^\alpha - 1 \sim \alpha u,再与 x\sqrt{x} 作比
      • 计算(判断 (A) 的完整过程):
        • 代入 u=xu = \sqrt{x}:1+u−1=(1+u)12−1\sqrt{1 + u} - 1 = (1+u)^{\frac12} - 1
        • 套公式(α=12\alpha = \frac12):(1+u)12−1∼12u=12x(1+u)^{\frac12} - 1 \sim \dfrac{1}{2} u = \dfrac12\sqrt{x}
        • 与 x\sqrt{x} 作比:12xx=12≠1\dfrac{\frac12\sqrt{x}}{\sqrt{x}} = \dfrac12 \ne 1 → 不等价 ✗
      • 易错点:
        • (1+u)α−1(1+u)^\alpha - 1 的等价形式是 αu\alpha u,系数 α\alpha 不能丢——正是这个系数导致 (A) 比值是 12\frac12 而非 11
    • 第4步:逐项判断——(B) ln⁡(1+x)\ln(1+\sqrt{x})
      • 本题相关:
        • 选项 (B) 为 ln⁡(1+x)\ln(1+\sqrt{x}),需判断 lim⁡x→0+ln⁡(1+x)x\lim_{x \to 0^+}\dfrac{\ln(1+\sqrt{x})}{\sqrt{x}} 是否等于 11
      • 思路:
        • 套公式 ln⁡(1+u)∼u\ln(1+u) \sim u,再作比
      • 计算(判断 (B) 的完整过程):
        • 代入 u=xu = \sqrt{x}:ln⁡(1+u)\ln(1 + u)
        • 套公式:ln⁡(1+u)∼u=x\ln(1+u) \sim u = \sqrt{x}
        • 与 x\sqrt{x} 作比:xx=1\dfrac{\sqrt{x}}{\sqrt{x}} = 1 → 等价 ✓
      • 结论:
        • 比值极限为 11,(B) 是正确答案
    • 第5步:逐项判断——(C) 1−cos⁡x1 - \cos\sqrt{x}
      • 本题相关:
        • 选项 (C) 为 1−cos⁡x1 - \cos\sqrt{x},需判断 lim⁡x→0+1−cos⁡xx\lim_{x \to 0^+}\dfrac{1 - \cos\sqrt{x}}{\sqrt{x}} 是否等于 11
      • 思路:
        • 套公式 1−cos⁡u∼u221 - \cos u \sim \dfrac{u^2}{2},注意它是 uu 的平方阶,比 x\sqrt{x} 小得多
      • 计算(判断 (C) 的完整过程):
        • 代入 u=xu = \sqrt{x}:1−cos⁡u1 - \cos u
        • 套公式:1−cos⁡u∼u22=x21 - \cos u \sim \dfrac{u^2}{2} = \dfrac{x}{2}
        • 与 x\sqrt{x} 作比:x/2x=x2→0≠1\dfrac{x/2}{\sqrt{x}} = \dfrac{\sqrt{x}}{2} \to 0 \ne 1 → 不等价(是 x\sqrt{x} 的高阶无穷小)✗
      • 易错点:
        • 高阶无穷小比值趋于 00,不是 11;别把 x2\dfrac{x}{2} 误当成与 x\sqrt{x} 同阶
    • 第6步:逐项判断——(D) 1−ex1 - \mathrm{e}^{\sqrt{x}}
      • 本题相关:
        • 选项 (D) 为 1−ex1 - \mathrm{e}^{\sqrt{x}},需判断 lim⁡x→0+1−exx\lim_{x \to 0^+}\dfrac{1 - \mathrm{e}^{\sqrt{x}}}{\sqrt{x}} 是否等于 11
      • 思路:
        • 由 eu−1∼u\mathrm{e}^u - 1 \sim u 推出 1−eu∼−u1 - \mathrm{e}^u \sim -u,注意负号
      • 计算(判断 (D) 的完整过程):
        • 代入 u=xu = \sqrt{x}:1−eu1 - \mathrm{e}^u
        • 套公式:1−eu∼−u=−x1 - \mathrm{e}^u \sim -u = -\sqrt{x}
        • 与 x\sqrt{x} 作比:−xx=−1≠1\dfrac{-\sqrt{x}}{\sqrt{x}} = -1 \ne 1 → 不等价(同阶但符号相反)✗
      • 易错点:
        • 1−eu1 - \mathrm{e}^u 等价于 −u-u 而不是 uu,负号使比值变为 −1-1——这也是常见陷阱
    • 第7步:汇总判断,确定答案——只有 (B) 的比值极限为 11
      • 本题相关:
        • 四个选项的比值极限分别为 (A) 12\dfrac12、(B) 11、(C) 00、(D) −1-1
      • 思路:
        • 四个选项比值极限分别是 12\dfrac12、11、00、−1-1,只有 (B) 等于 11
      • 计算(汇总的完整过程):
        • (A) 比值 →12\to \dfrac12 ✗ (B) 比值 →1\to 1 ✓ (C) 比值 →0\to 0 ✗ (D) 比值 →−1\to -1 ✗
      • 结论:
        • 选 B
      • 意义:
        • 解这类"等价无穷小选择题"的通用套路是——换元 + 套公式 + 作比;比值极限为 11 才是等价,出现其他常数(12\dfrac12、−1-1)或 00 都要排除
      • 易错点:
        • 等价无穷小替换公式只能在乘除因子中使用,且替换时系数和符号都要写对
    • 全题知识地图:
      • 等价无穷小定义(比值 =1= 1)→ 常用公式表(换元 u=xu = \sqrt{x})→ 逐项作比((A) 12\dfrac12、(B) 11、(C) 00、(D) −1-1)→ 选 B
    • 最终答案:
      • B

  • 【例2】

    • 已知 α(x)=(1+2x)ln⁡(1+x)−1\alpha(x) = (1+2x)^{\ln(1+x)} - 1,β(x)=1+x−1+sin⁡x\beta(x) = \sqrt{1+x} - \sqrt{1+\sin x},γ(x)=1x−1tan⁡x\gamma(x) = \dfrac{1}{x} - \dfrac{1}{\tan x},当 x→0x \to 0 时,无穷小阶数由高到低的排列顺序为______
  • 【解题】

    • 题目类型:
      • 无穷小阶数比较题(先求各函数的等价形式 ∼Cxk\sim Cx^k,再按阶数 kk 排序)
    • 解题思路:
      • "阶数由高到低" = 趋于 00 越快的排在前面,即等价形式中 xx 的次数 kk 越大阶数越高
      • α\alpha:幂指函数先指数化 ab=ebln⁡aa^b = \mathrm{e}^{b\ln a},化成 eln⁡(1+x)ln⁡(1+2x)−1\mathrm{e}^{\ln(1+x)\ln(1+2x)} - 1,u=ln⁡(1+x)ln⁡(1+2x)∼2x2u = \ln(1+x)\ln(1+2x) \sim 2x^2,再由 eu−1∼u\mathrm{e}^u - 1 \sim u 得 α∼2x2\alpha \sim 2x^2(2 阶)
      • β\beta:两个根号相减,用平方差(分子有理化):1+x−1+sin⁡x=x−sin⁡x1+x+1+sin⁡x∼x3/62=x312\sqrt{1+x} - \sqrt{1+\sin x} = \dfrac{x - \sin x}{\sqrt{1+x} + \sqrt{1+\sin x}} \sim \dfrac{x^3/6}{2} = \dfrac{x^3}{12}(3 阶)
      • γ\gamma:通分:1x−1tan⁡x=tan⁡x−xxtan⁡x∼x3/3x2=x3\dfrac{1}{x} - \dfrac{1}{\tan x} = \dfrac{\tan x - x}{x\tan x} \sim \dfrac{x^3/3}{x^2} = \dfrac{x}{3}(1 阶)
      • 比较阶数 3>2>13 > 2 > 1,得排序
    • 解答:
      • ① 求 α(x)\alpha(x) 的阶数:
        • 幂指函数指数化(利用 AB=eBln⁡AA^B = \mathrm{e}^{B\ln A}):
          • (1+2x)ln⁡(1+x)=eln⁡(1+x) ln⁡(1+2x)(1+2x)^{\ln(1+x)} = \mathrm{e}^{\ln(1+x)\,\ln(1+2x)}
        • 令 u=ln⁡(1+x)ln⁡(1+2x)u = \ln(1+x)\ln(1+2x)。由 ln⁡(1+t)∼t\ln(1+t) \sim t(t→0t \to 0):
          • ln⁡(1+x)∼x\ln(1+x) \sim x,ln⁡(1+2x)∼2x\ln(1+2x) \sim 2x,故 u∼x⋅2x=2x2u \sim x \cdot 2x = 2x^2(且 u→0u \to 0)
        • 再由 eu−1∼u\mathrm{e}^u - 1 \sim u:
          • α(x)=eu−1∼u∼2x2\alpha(x) = \mathrm{e}^u - 1 \sim u \sim 2x^2
        • 结论:α∼2x2\alpha \sim 2x^2,2 阶
      • ② 求 β(x)\beta(x) 的阶数:
        • 用平方差公式 (A−B)(A+B)=A−B\left(\sqrt{A} - \sqrt{B}\right)\left(\sqrt{A} + \sqrt{B}\right) = A - B 进行分子有理化:
          • β=(1+x)−(1+sin⁡x)1+x+1+sin⁡x=x−sin⁡x1+x+1+sin⁡x\beta = \dfrac{(1+x) - (1+\sin x)}{\sqrt{1+x} + \sqrt{1+\sin x}} = \dfrac{x - \sin x}{\sqrt{1+x} + \sqrt{1+\sin x}}
        • 由 sin⁡x=x−x36+⋯\sin x = x - \dfrac{x^3}{6} + \cdots 得 x−sin⁡x∼x36x - \sin x \sim \dfrac{x^3}{6}(3 阶)
        • 分母:1+x+1+sin⁡x→1+1=2\sqrt{1+x} + \sqrt{1+\sin x} \to 1 + 1 = 2
        • 所以 β∼x3/62=x312\beta \sim \dfrac{x^3/6}{2} = \dfrac{x^3}{12}
        • 结论:β∼x312\beta \sim \dfrac{x^3}{12},3 阶
      • ③ 求 γ(x)\gamma(x) 的阶数:
        • 通分:γ=1x−1tan⁡x=tan⁡x−xxtan⁡x\gamma = \dfrac{1}{x} - \dfrac{1}{\tan x} = \dfrac{\tan x - x}{x\tan x}
        • 由 tan⁡x=x+x33+2x515+⋯\tan x = x + \dfrac{x^3}{3} + \dfrac{2x^5}{15} + \cdots 得 tan⁡x−x∼x33\tan x - x \sim \dfrac{x^3}{3}(3 阶)
        • 分母 xtan⁡x∼x⋅x=x2x\tan x \sim x \cdot x = x^2(2 阶)
        • 所以 γ∼x3/3x2=x3\gamma \sim \dfrac{x^3/3}{x^2} = \dfrac{x}{3}
        • 结论:γ∼x3\gamma \sim \dfrac{x}{3},1 阶
      • ④ 排序:
        • 阶数:β\beta(3 阶)>> α\alpha(2 阶)>> γ\gamma(1 阶)
        • 阶数越高 →\to 趋于 00 越快 →\to 排在越前
    • 最终答案:
      • β(x)\beta(x),α(x)\alpha(x),γ(x)\gamma(x)(即 β\beta(3 阶)>> α\alpha(2 阶)>> γ\gamma(1 阶))
  • 【分析模块】

    • 本题题目:
      • 已知 α(x)=(1+2x)ln⁡(1+x)−1\alpha(x) = (1+2x)^{\ln(1+x)} - 1,β(x)=1+x−1+sin⁡x\beta(x) = \sqrt{1+x} - \sqrt{1+\sin x},γ(x)=1x−1tan⁡x\gamma(x) = \dfrac{1}{x} - \dfrac{1}{\tan x},当 x→0x \to 0 时,无穷小阶数由高到低的排列顺序为______
    • 解题思路:
      • 阶数的定义:若 lim⁡x→0f(x)xk=C≠0\lim_{x\to0}\dfrac{f(x)}{x^k} = C \ne 0(CC 为非零常数),称 ff 为 kk 阶无穷小(等价于 f∼Cxkf \sim Cx^k)
      • 三个函数用三种不同手法化成 ∼Cxk\sim Cx^k:α\alpha 用"指数化 + 等价替换";β\beta 用"平方差分子有理化";γ\gamma 用"通分"
      • 最后比较 kk:3>2>13 > 2 > 1,由高到低即 β\beta、α\alpha、γ\gamma
    • 知识点大纲:
      • 主流程:无穷小阶数定义 → 各函数等价形式(α\alpha:指数化;β\beta:平方差有理化;γ\gamma:通分)→ 阶数比较 → 由高到低排序
      • 求 α\alpha:指数化(AB=eBln⁡AA^B = \mathrm{e}^{B\ln A})+ ln⁡(1+t)∼t\ln(1+t) \sim t + eu−1∼u\mathrm{e}^u - 1 \sim u → α∼2x2\alpha \sim 2x^2(2 阶)
      • 求 β\beta:平方差有理化 + x−sin⁡x∼x36x - \sin x \sim \dfrac{x^3}{6} + 分母 →2\to 2 → β∼x312\beta \sim \dfrac{x^3}{12}(3 阶)
      • 求 γ\gamma:通分 + tan⁡x=x+x33+⋯\tan x = x + \dfrac{x^3}{3} + \cdots + xtan⁡x∼x2x\tan x \sim x^2 → γ∼x3\gamma \sim \dfrac{x}{3}(1 阶)
      • 排序:阶数 3>2>13 > 2 > 1 → β\beta > α\alpha > γ\gamma
  • 【学习模块】

    • 第1步:先弄清题意——"无穷小阶数由高到低"是什么意思
      • 本题相关:
        • 三个函数 α(x),β(x),γ(x)\alpha(x), \beta(x), \gamma(x) 在 x→0x \to 0 时都趋于 00(都是无穷小);题目要求按阶数从高到低排列
      • 思路:
        • 把每个函数写成 ∼Cxk\sim Cx^k 的形式,kk 就是"阶数";kk 越大表示衰减得越快("阶数越高")
      • 知识点(无穷小的阶数):
        • 严谨定义:
          • 设 lim⁡x→0f(x)=0\lim_{x\to0} f(x) = 0。若 lim⁡x→0f(x)xk=C\lim_{x\to0}\dfrac{f(x)}{x^k} = C(C≠0C \ne 0 的非零常数),则称 f(x)f(x) 是 x→0x \to 0 时的 kk 阶无穷小(此时 f∼Cxkf \sim Cx^k)
        • 通俗讲解:
          • 阶数 kk 可以理解为"f(x)f(x) 以 xkx^k 的速度趋向 00":kk 越大,趋零越快,它"越小"得越厉害,排位越靠前
        • 生活类比:
          • 三个选手都在向 00 冲刺:3 阶选手(β\beta)跑得最快(x3x^3 速度),1 阶选手(γ\gamma)跑得最慢(xx 速度)——"由高到低"就是按速度排
    • 第2步:求 α(x)=(1+2x)ln⁡(1+x)−1\alpha(x) = (1+2x)^{\ln(1+x)} - 1 的阶数
      • 本题相关:
        • α(x)=(1+2x)ln⁡(1+x)−1\alpha(x) = (1+2x)^{\ln(1+x)} - 1,x→0x \to 0 时底数 →1\to 1、指数 →0\to 0,属幂指函数,需先指数化
      • 思路:
        • 幂指函数一律先写指数形式 AB=eBln⁡AA^B = \mathrm{e}^{B\ln A},露出"eu−1\mathrm{e}^u - 1"后就能套公式 eu−1∼u\mathrm{e}^u - 1 \sim u
      • 知识点(两个等价公式):
        • 严谨定义:
          • ln⁡(1+t)∼t\ln(1+t) \sim t(t→0t \to 0),即 lim⁡t→0ln⁡(1+t)t=1\lim_{t\to0}\dfrac{\ln(1+t)}{t} = 1;eu−1∼u\mathrm{e}^u - 1 \sim u(u→0u \to 0),即 lim⁡u→0eu−1u=1\lim_{u\to0}\dfrac{\mathrm{e}^u-1}{u} = 1
        • 通俗讲解:
          • 两个"翻译表"条目:对数和指数在 00 附近都"翻译成"自身变量本身
      • 计算(求 α\alpha 阶数的完整过程):
        • 指数化:(1+2x)ln⁡(1+x)=eln⁡(1+x)ln⁡(1+2x)(1+2x)^{\ln(1+x)} = \mathrm{e}^{\ln(1+x)\ln(1+2x)},记 u=ln⁡(1+x)ln⁡(1+2x)u = \ln(1+x)\ln(1+2x)
        • 用 ln⁡(1+t)∼t\ln(1+t) \sim t:ln⁡(1+x)∼x\ln(1+x) \sim x,ln⁡(1+2x)∼2x\ln(1+2x) \sim 2x(系数 22 别忘了)
        • 乘积:u∼x⋅2x=2x2u \sim x \cdot 2x = 2x^2(且 u→0u \to 0)
        • 再用 eu−1∼u\mathrm{e}^u - 1 \sim u:α=eu−1∼u∼2x2\alpha = \mathrm{e}^u - 1 \sim u \sim 2x^2
      • 结论:
        • α∼2x2\alpha \sim 2x^2,是 2 阶无穷小
      • 易错点:
        • ① ln⁡(1+2x)∼2x\ln(1+2x) \sim 2x 的系数 22 不能丢
        • ② 必须保证 u→0u \to 0 才能用 eu−1∼u\mathrm{e}^u - 1 \sim u(这里 u∼2x2→0u \sim 2x^2 \to 0 ✓)
    • 第3步:求 β(x)=1+x−1+sin⁡x\beta(x) = \sqrt{1+x} - \sqrt{1+\sin x} 的阶数
      • 本题相关:
        • β\beta 是两个根号相减,x→0x \to 0 时都 →1\to 1,直接代体是 1−11 - 1,看不出阶,需要"分子有理化"
      • 思路:
        • 见到 A−B\sqrt{A} - \sqrt{B},用平方差公式把差"翻"到分子上:A−B=A−BA+B\sqrt{A}-\sqrt{B} = \dfrac{A-B}{\sqrt{A}+\sqrt{B}},阶数就由 A−B=x−sin⁡xA - B = x - \sin x 决定
      • 知识点(x−sin⁡xx - \sin x 的阶数):
        • 严谨定义:
          • sin⁡x=x−x33!+x55!−⋯\sin x = x - \dfrac{x^3}{3!} + \dfrac{x^5}{5!} - \cdots,故 x−sin⁡x∼x36x - \sin x \sim \dfrac{x^3}{6}
        • 通俗讲解:
          • sin⁡x\sin x 和 xx 在 00 附近"差一点点",差别正是 x36\dfrac{x^3}{6} 量级——所以 sin⁡x\sin x 与 xx 等价,但"差"出来的是 3 阶小量
      • 计算(求 β\beta 阶数的完整过程):
        • 分子有理化:
          • β=(1+x)−(1+sin⁡x)1+x+1+sin⁡x=x−sin⁡x1+x+1+sin⁡x\beta = \dfrac{(1+x) - (1+\sin x)}{\sqrt{1+x}+\sqrt{1+\sin x}} = \dfrac{x - \sin x}{\sqrt{1+x}+\sqrt{1+\sin x}}
        • 分子:x−sin⁡x∼x36x - \sin x \sim \dfrac{x^3}{6}
        • 分母:x→0x \to 0 时 1+x→1\sqrt{1+x} \to 1、1+sin⁡x→1\sqrt{1+\sin x} \to 1,故分母 →2\to 2
        • 相除:β∼x3/62=x312\beta \sim \dfrac{x^3/6}{2} = \dfrac{x^3}{12}
      • 结论:
        • β∼x312\beta \sim \dfrac{x^3}{12},是 3 阶无穷小
      • 易错点:
        • ① 分子有理化的方向:A−B=(A−B)(A+B)A - B = (\sqrt A - \sqrt B)(\sqrt A + \sqrt B),除的是"和"1+x+1+sin⁡x\sqrt{1+x} + \sqrt{1+\sin x},不是差
        • ② 分母 →2\to 2 是有限非零,所以不改变阶数,只改变系数
    • 第4步:求 γ(x)=1x−1tan⁡x\gamma(x) = \dfrac{1}{x} - \dfrac{1}{\tan x} 的阶数
      • 本题相关:
        • γ\gamma 是两个"倒数"之差,x→0x \to 0 时两项都 →+∞\to +\infty(正侧),需先通分化成"00\frac{0}{0}"再找主导项
      • 思路:
        • 通分 1x−1tan⁡x=tan⁡x−xxtan⁡x\dfrac{1}{x} - \dfrac{1}{\tan x} = \dfrac{\tan x - x}{x\tan x}:分子是 3 阶(x33\frac{x^3}{3}),分母是 2 阶(x2x^2),比值是 x3x2=x\frac{x^3}{x^2} = x,即 1 阶
      • 知识点(tan⁡x\tan x 的泰勒展开):
        • 严谨定义:
          • tan⁡x=x+x33+2x515+⋯\tan x = x + \dfrac{x^3}{3} + \dfrac{2x^5}{15} + \cdots,故 tan⁡x−x∼x33\tan x - x \sim \dfrac{x^3}{3}
        • 通俗讲解:
          • tan⁡x\tan x 比 xx 大一点,多的正是 x33\dfrac{x^3}{3} 量级;γ\gamma 的分子恰好就是这个"差"
      • 计算(求 γ\gamma 阶数的完整过程):
        • 通分:γ=1x−1tan⁡x=tan⁡x−xxtan⁡x\gamma = \dfrac{1}{x} - \dfrac{1}{\tan x} = \dfrac{\tan x - x}{x\tan x}
        • 分子:tan⁡x−x∼x33\tan x - x \sim \dfrac{x^3}{3}
        • 分母:xtan⁡x∼x⋅x=x2x\tan x \sim x \cdot x = x^2
        • 相除:γ∼x3/3x2=x3\gamma \sim \dfrac{x^3/3}{x^2} = \dfrac{x}{3}(相当于 x3x2=x\dfrac{x^3}{x^2} = x,阶数 3−2=13 - 2 = 1)
      • 结论:
        • γ∼x3\gamma \sim \dfrac{x}{3},是 1 阶无穷小
      • 易错点:
        • ① 通分后分子是 tan⁡x−x\tan x - x(正号)——顺序很关键:1x−1tan⁡x\dfrac{1}{x} - \dfrac{1}{\tan x} 的分子是 tan⁡x−x\tan x - x;若写成 1tan⁡x−1x\dfrac{1}{\tan x} - \dfrac{1}{x},分子就是 x−tan⁡x∼−x33x - \tan x \sim -\dfrac{x^3}{3}(差一个负号,阶数不变)
        • ② 分母 xtan⁡xx\tan x 是"1 阶 × 1 阶 = 2 阶",不要误当成 1 阶
        • ③ 阶数只看次数不管符号:±xc3\pm\dfrac{x^c}{3} 都是 1 阶,只要系数非零
    • 第5步:汇总比较——由高到低排序
      • 本题相关:
        • 三个等价形式:α∼2x2\alpha \sim 2x^2(2 阶)、β∼x312\beta \sim \dfrac{x^3}{12}(3 阶)、γ∼x3\gamma \sim \dfrac{x}{3}(1 阶)
      • 思路:
        • 阶数 kk 越大 = 趋零越快 = 排位越前
      • 计算(排序的完整过程):
        • 阶数:kβ=3k_\beta = 3,kα=2k_\alpha = 2,kγ=1k_\gamma = 1
        • 由高到低:3>2>13 > 2 > 1 → β\beta、α\alpha、γ\gamma
      • 验证(数值抽查 x=0.01x = 0.01):
        • α≈2x2=2×10−4\alpha \approx 2x^2 = 2 \times 10^{-4}
        • β≈x312=10−612≈8.3×10−8\beta \approx \dfrac{x^3}{12} = \dfrac{10^{-6}}{12} \approx 8.3 \times 10^{-8}(比 α\alpha 小得多,阶更高 ✓)
        • γ=10.01−1tan⁡0.01≈100−99.99667=0.00333≈x3=0.00333\gamma = \dfrac{1}{0.01} - \dfrac{1}{\tan 0.01} \approx 100 - 99.99667 = 0.00333 \approx \dfrac{x}{3} = 0.00333(比前两个都大,阶最低 ✓)
      • 结论:
        • β(x)\beta(x) > α(x)\alpha(x) > γ(x)\gamma(x)(由高到低)
    • 全题知识地图:
      • 阶数定义(∼Cxk\sim Cx^k)→ α\alpha:指数化 eBln⁡A\mathrm{e}^{B\ln A} → ln⁡(1+t)∼t\ln(1+t)\sim t + eu−1∼u\mathrm{e}^u-1\sim u → 2x22x^2(2 阶);β\beta:平方差有理化 → x−sin⁡x∼x36x-\sin x\sim\frac{x^3}{6} + 分母 →2\to 2 → x312\frac{x^3}{12}(3 阶);γ\gamma:通分 → tan⁡x−x∼x33\tan x-x\sim\frac{x^3}{3} + xtan⁡x∼x2x\tan x\sim x^2 → x3\frac{x}{3}(1 阶) → 排序:β\beta > α\alpha > γ\gamma
    • 最终答案:
      • β(x)\beta(x),α(x)\alpha(x),γ(x)\gamma(x)

  • 【例3】

    • 已知当 x→0+x \to 0^+ 时,ln⁡cos⁡(1−cos⁡x)\ln\cos(1-\cos x) 是 x(ex−1)nx(\mathrm{e}^x - 1)^n 的高阶无穷小,sin⁡xtan⁡nx\sin x\tan^n x 是 x−ln⁡(1+x)x - \ln(1+x) 的高阶无穷小,则正整数 n=‾n = \underline{\qquad\quad}
  • 【解题】

    • 题目类型:
      • 无穷小阶数综合题(复合函数阶数 + 高阶无穷小比较 + 参数求解)
    • 解题思路:
      • AA 是 BB 的高阶无穷小,等价于 lim⁡x→0AB=0\lim_{x\to0}\dfrac{A}{B} = 0,等价于 AA 的阶数大于 BB 的阶数
      • 四式阶数:ln⁡cos⁡(1−cos⁡x)\ln\cos(1-\cos x) 为 4 阶;x(ex−1)nx(\mathrm{e}^x - 1)^n 为 n+1n+1 阶;sin⁡xtan⁡nx\sin x\tan^n x 为 n+1n+1 阶;x−ln⁡(1+x)x - \ln(1+x) 为 2 阶
      • 代入两个条件:4>n+14 > n+1 且 n+1>2n+1 > 2,结合 nn 为正整数,得 n=2n = 2
    • 解答:
      • ① 求 ln⁡cos⁡(1−cos⁡x)\ln\cos(1-\cos x) 的阶数
        • 令 u=1−cos⁡xu = 1 - \cos x,由 1−cos⁡x∼x221-\cos x \sim \dfrac{x^2}{2} 知 u∼x22u \sim \dfrac{x^2}{2}(2 阶)
        • 中间层:cos⁡u−1∼−u22\cos u - 1 \sim -\dfrac{u^2}{2}(由 1−cos⁡u∼u221-\cos u \sim \dfrac{u^2}{2} 两边乘 −1-1 得到)
        • 外层:ln⁡cos⁡u=ln⁡(1+(cos⁡u−1))∼cos⁡u−1\ln\cos u = \ln\big(1 + (\cos u - 1)\big) \sim \cos u - 1(用 ln⁡(1+v)∼v\ln(1+v) \sim v,其中 v=cos⁡u−1→0v = \cos u - 1 \to 0)
        • 代回:ln⁡cos⁡(1−cos⁡x)∼−(x2/2)22=−x48\ln\cos(1-\cos x) \sim -\dfrac{(x^2/2)^2}{2} = -\dfrac{x^4}{8} → 4 阶
      • ② 求 x(ex−1)nx(\mathrm{e}^x - 1)^n 的阶数
        • ex−1∼x\mathrm{e}^x - 1 \sim x,所以 x(ex−1)n∼x⋅xn=xn+1x(\mathrm{e}^x - 1)^n \sim x \cdot x^n = x^{n+1} → n+1n+1 阶
      • ③ 求 sin⁡xtan⁡nx\sin x\tan^n x 的阶数
        • sin⁡x∼x\sin x \sim x,tan⁡nx=(tan⁡x)n∼xn\tan^n x = (\tan x)^n \sim x^n,所以 sin⁡xtan⁡nx∼xn+1\sin x\tan^n x \sim x^{n+1} → n+1n+1 阶
      • ④ 求 x−ln⁡(1+x)x - \ln(1+x) 的阶数
        • ln⁡(1+x)=x−x22+x33−⋯\ln(1+x) = x - \dfrac{x^2}{2} + \dfrac{x^3}{3} - \cdots,故 x−ln⁡(1+x)∼x22x - \ln(1+x) \sim \dfrac{x^2}{2} → 2 阶
      • ⑤ 联立条件
        • 条件一:4>n+14 > n+1,得 n<3n < 3
        • 条件二:n+1>2n+1 > 2,得 n>1n > 1
        • 正整数且 1<n<31 < n < 3 → n=2n = 2
      • ⑥ 验证
        • n=2n = 2:x(ex−1)2∼x3x(\mathrm{e}^x-1)^2 \sim x^3(3 阶),比 ln⁡cos⁡(1−cos⁡x)\ln\cos(1-\cos x)(4 阶)低阶 ✓
        • n=2n = 2:sin⁡xtan⁡2x∼x3\sin x\tan^2 x \sim x^3(3 阶),比 x−ln⁡(1+x)∼x22x-\ln(1+x) \sim \dfrac{x^2}{2}(2 阶)高阶 ✓
    • 最终答案:
      • n=2n = 2
  • 【分析模块】

    • 本题题目:
      • 已知当 x→0+x \to 0^+ 时,ln⁡cos⁡(1−cos⁡x)\ln\cos(1-\cos x) 是 x(ex−1)nx(\mathrm{e}^x - 1)^n 的高阶无穷小,sin⁡xtan⁡nx\sin x\tan^n x 是 x−ln⁡(1+x)x - \ln(1+x) 的高阶无穷小,则正整数 n=‾n = \underline{\qquad\quad}
    • 解题思路:
      • 高阶比较的本质是阶数严格更大(比值趋于 0)
      • 复合函数用逐层换元(ln⁡cos⁡(1−cos⁡x)\ln\cos(1-\cos x)),乘积用逐因子替换(x(ex−1)nx(\mathrm{e}^x-1)^n、sin⁡xtan⁡nx\sin x\tan^n x),相减用泰勒展开留首项(x−ln⁡(1+x)x-\ln(1+x))
      • 两个不等式联立,再用正整数约束 → n=2n = 2
    • 知识点大纲:
      • 主流程:四式阶数 → 高阶比较(阶数严格大)→ 不等式联立 → 正整数 ⇒ n=2n = 2
      • 求阶数:ln⁡cos⁡(1−cos⁡x)\ln\cos(1-\cos x)(换元:1−cos⁡x∼x221-\cos x \sim \dfrac{x^2}{2} → ln⁡cos⁡u∼−u22\ln\cos u \sim -\dfrac{u^2}{2} → −x48-\dfrac{x^4}{8},4 阶)+ x(ex−1)n∼xn+1x(\mathrm{e}^x-1)^n \sim x^{n+1}(n+1n+1 阶)+ sin⁡xtan⁡nx∼xn+1\sin x\tan^n x \sim x^{n+1}(n+1n+1 阶)+ x−ln⁡(1+x)∼x22x-\ln(1+x) \sim \dfrac{x^2}{2}(2 阶)
      • 求 nn:4>n+14 > n+1 + n+1>2n+1 > 2 + 正整数 → n=2n = 2
  • 【学习模块】

    • 第1步:先弄清题意——高阶无穷小是什么意思
      • 本题相关:
        • ln⁡cos⁡(1−cos⁡x)\ln\cos(1-\cos x) 是 x(ex−1)nx(\mathrm{e}^x - 1)^n 的高阶无穷小;sin⁡xtan⁡nx\sin x\tan^n x 是 x−ln⁡(1+x)x - \ln(1+x) 的高阶无穷小;要求正整数 nn
      • 思路:
        • 把"高阶"翻译成阶数语言:阶数大的一边是"高阶"
      • 知识点(高阶无穷小的定义):
        • 严谨定义:
          • 若 lim⁡x→x0A(x)B(x)=0\lim_{x\to x_0}\dfrac{A(x)}{B(x)} = 0,称 AA 是 BB 的高阶无穷小,记 A=o(B)A = o(B)。若 A∼CxkA \sim Cx^k、B∼DxmB \sim Dx^m(C,DC,D 非零),则 A=o(B)A = o(B) 等价于 k>mk > m
        • 通俗讲解:
          • 高阶 = 更快趋于 0 = 阶数更大;就像 4 档车速比 3 档快,x4x^4 跑得比 x3x^3 快
      • 易错点:
        • 方向别反:AA 是 BB 的高阶 ⟹ AA 阶数大,比值 AB→0\dfrac{A}{B} \to 0
    • 第2步:亮出工具表——本题要用的等价无穷小与泰勒展开
      • 知识点(常用等价无穷小,t→0t \to 0 时):
        • 严谨定义:
          • 1−cos⁡t∼t221-\cos t \sim \dfrac{t^2}{2};et−1∼t\mathrm{e}^t - 1 \sim t;sin⁡t∼t\sin t \sim t;tan⁡t∼t\tan t \sim t;ln⁡(1+t)∼t\ln(1+t) \sim t
          • 泰勒展开:ln⁡(1+t)=t−t22+t33−⋯\ln(1+t) = t - \dfrac{t^2}{2} + \dfrac{t^3}{3} - \cdots;cos⁡t=1−t22+t424−⋯\cos t = 1 - \dfrac{t^2}{2} + \dfrac{t^4}{24} - \cdots
        • 通俗讲解:
          • 这就是"阶数翻译表":每个公式直接告诉你它是几阶小量
      • 易错点:
        • x−ln⁡(1+x)x - \ln(1+x) 这类"相减差"不能用 ln⁡(1+t)∼t\ln(1+t) \sim t 一级近似(否则得 x−x=0x - x = 0),必须泰勒展开到 t2t^2 项
    • 第3步:求 ln⁡cos⁡(1−cos⁡x)\ln\cos(1-\cos x) 的阶数——逐层换元
      • 本题相关:
        • 三层嵌套:最内 1−cos⁡x1-\cos x,中间 cos⁡\cos,最外 ln⁡\ln
      • 计算:
        • 内层:u=1−cos⁡x∼x22u = 1-\cos x \sim \dfrac{x^2}{2}(2 阶)
        • 中间层:cos⁡u−1∼−u22\cos u - 1 \sim -\dfrac{u^2}{2}(由 1−cos⁡u∼u221-\cos u \sim \dfrac{u^2}{2} 变号)
        • 外层:ln⁡cos⁡u=ln⁡(1+(cos⁡u−1))∼cos⁡u−1∼−u22\ln\cos u = \ln\big(1+(\cos u - 1)\big) \sim \cos u - 1 \sim -\dfrac{u^2}{2}
        • 代回:−u22∼−(x2/2)22=−x48-\dfrac{u^2}{2} \sim -\dfrac{(x^2/2)^2}{2} = -\dfrac{x^4}{8} → 4 阶
      • 易错点:
        • ① 别把 ln⁡cos⁡(1−cos⁡x)\ln\cos(1-\cos x) 当成 ln⁡(1−cos⁡x)\ln(1-\cos x):后者除 ln⁡x22→−∞\ln \dfrac{x^2}{2} \to -\infty 发散,根本不是无穷小
        • ② 别把 cos⁡u\cos u 直接近似成 11,会丢掉 u2u^2 阶信息
        • ③ 系数别漏:最终是 −x48-\dfrac{x^4}{8} 而不是 −x44-\dfrac{x^4}{4}
    • 第4步:求两个乘积式的阶数——逐因子替换
      • 计算:
        • x(ex−1)n∼x⋅xn=xn+1x(\mathrm{e}^x-1)^n \sim x \cdot x^n = x^{n+1} → n+1n+1 阶
        • sin⁡xtan⁡nx∼x⋅xn=xn+1\sin x\tan^n x \sim x \cdot x^n = x^{n+1} → n+1n+1 阶
      • 易错点:
        • tan⁡nx=(tan⁡x)n\tan^n x = (\tan x)^n,不是 tan⁡(xn)\tan(x^n);乘积阶数 = 各因子阶数相加
    • 第5步:求 x−ln⁡(1+x)x - \ln(1+x) 的阶数——泰勒展开留首项
      • 计算:
        • ln⁡(1+x)=x−x22+x33−⋯\ln(1+x) = x - \dfrac{x^2}{2} + \dfrac{x^3}{3} - \cdots,相减得 x−ln⁡(1+x)∼x22x - \ln(1+x) \sim \dfrac{x^2}{2} → 2 阶
      • 易错点:
        • 必须展开到能抵消的那一项,只到 xx 阶就得 00,看不出阶数
    • 第6步:联立不等式解出 nn
      • 计算:
        • 条件一:4>n+14 > n+1,得 n<3n < 3
        • 条件二:n+1>2n+1 > 2,得 n>1n > 1
        • 1<n<31 < n < 3 且 nn 为正整数 → n=2n = 2
      • 易错点:
        • "正整数"约束排除 n=0,1n = 0, 1;列式方向别反(高阶 = 阶数大)
    • 第7步:验证并收尾
      • 计算:
        • n=2n = 2 时:−x48x3=−x8→0\dfrac{-\dfrac{x^4}{8}}{x^3} = -\dfrac{x}{8} \to 0 ✓(ln⁡cos⁡(1−cos⁡x)\ln\cos(1-\cos x) 是 x(ex−1)2x(\mathrm{e}^x-1)^2 的高阶)
        • n=2n = 2 时:x3x2/2=2x→0\dfrac{x^3}{x^2/2} = 2x \to 0 ✓(sin⁡xtan⁡2x\sin x\tan^2 x 是 x−ln⁡(1+x)x-\ln(1+x) 的高阶)
      • 结论:
        • n=2n = 2
    • 全题知识地图:
      • 高阶定义(阶数严格大)→ 四式阶数:ln⁡cos⁡(1−cos⁡x)\ln\cos(1-\cos x)(4 阶)+ x(ex−1)nx(\mathrm{e}^x-1)^n(n+1n+1 阶)+ sin⁡xtan⁡nx\sin x\tan^n x(n+1n+1 阶)+ x−ln⁡(1+x)x-\ln(1+x)(2 阶)→ 不等式 4>n+14 > n+1、n+1>2n+1 > 2 → 1<n<31 < n < 3 → 正整数 → n=2n = 2
    • 最终答案:
      • n=2n = 2

第五章 求极限


  • 【例1】

    • 求极限 lim⁡x→0sin⁡x−tan⁡x[1+ln⁡(1+x)−1+x](ex−1)\lim_{x \to 0} \dfrac{\sin x - \tan x}{\left[\sqrt{1+\ln(1+x)} - \sqrt{1+x}\right](e^x - 1)}
  • 【解题】

    • 题目类型:
      • 极限计算题(00\frac{0}{0} 型不定式,等价无穷小替换+有理化)
    • 解题思路:
      • 本题分子、分母都趋于 0,属于 00\frac{0}{0} 型不定式。直接洛必达会导致分母乘积、根号之差求导后异常复杂,所以正确思路是先化简、后求极限:把每个部分都换成简单的等价无穷小
      • 分子:提公因式 tan⁡x\tan x,把 sin⁡x−tan⁡x\sin x - \tan x 化为 tan⁡x(cos⁡x−1)\tan x(\cos x - 1),用 tan⁡x∼x\tan x \sim x 和 cos⁡x−1∼−x22\cos x - 1 \sim -\frac{x^2}{2},得分子 ∼−x32\sim -\dfrac{x^3}{2}
      • 分母第一个因子:直接用 ex−1∼xe^x - 1 \sim x
      • 分母第二个因子:1+ln⁡(1+x)−1+x\sqrt{1+\ln(1+x)} - \sqrt{1+x} 是"根号之差",先用有理化化出 ln⁡(1+x)−x1+ln⁡(1+x)+1+x\dfrac{\ln(1+x) - x}{\sqrt{1+\ln(1+x)} + \sqrt{1+x}},再用 ln⁡(1+x)−x∼−x22\ln(1+x) - x \sim -\frac{x^2}{2} 和分母趋于 22,得该因子 ∼−x24\sim -\dfrac{x^2}{4}
      • 分母整体 ∼−x34\sim -\dfrac{x^3}{4},与分子同为 x3x^3 阶;同阶相除,极限为 −1/2−1/4=2\dfrac{-1/2}{-1/4} = 2
    • 解答:
      • ① 判断极限类型:
        • 当 x→0x \to 0 时,分子 sin⁡x−tan⁡x→0\sin x - \tan x \to 0;分母中 1+ln⁡(1+x)−1+x→0\sqrt{1+\ln(1+x)} - \sqrt{1+x} \to 0、ex−1→0e^x - 1 \to 0,故整体为 00\frac{0}{0} 型不定式,不能直接代入
      • ② 化简分子 sin⁡x−tan⁡x\sin x - \tan x:
        • 提公因式:sin⁡x−tan⁡x=tan⁡xcos⁡x−tan⁡x=tan⁡x(cos⁡x−1)\sin x - \tan x = \tan x \cos x - \tan x = \tan x(\cos x - 1)
        • 等价无穷小:tan⁡x∼x\tan x \sim x;cos⁡x−1∼−x22\cos x - 1 \sim -\dfrac{x^2}{2}(由 1−cos⁡x∼x221-\cos x \sim \dfrac{x^2}{2} 变号)
        • 分子 ∼x⋅(−x22)=−x32\sim x \cdot \left(-\dfrac{x^2}{2}\right) = -\dfrac{x^3}{2}
      • ③ 化简分母第一个因子:
        • ex−1∼xe^x - 1 \sim x
      • ④ 化简分母第二个因子 1+ln⁡(1+x)−1+x\sqrt{1+\ln(1+x)} - \sqrt{1+x}:
        • 有理化(分子、分母同乘 1+ln⁡(1+x)+1+x\sqrt{1+\ln(1+x)} + \sqrt{1+x}):
        • 1+ln⁡(1+x)−1+x=(1+ln⁡(1+x))−(1+x)1+ln⁡(1+x)+1+x=ln⁡(1+x)−x1+ln⁡(1+x)+1+x\sqrt{1+\ln(1+x)} - \sqrt{1+x} = \dfrac{(1+\ln(1+x)) - (1+x)}{\sqrt{1+\ln(1+x)} + \sqrt{1+x}} = \dfrac{\ln(1+x) - x}{\sqrt{1+\ln(1+x)} + \sqrt{1+x}}
        • 由泰勒展开:ln⁡(1+x)=x−x22+o(x2)\ln(1+x) = x - \dfrac{x^2}{2} + o(x^2),故 ln⁡(1+x)−x=−x22+o(x2)∼−x22\ln(1+x) - x = -\dfrac{x^2}{2} + o(x^2) \sim -\dfrac{x^2}{2}
        • 分母趋于 1+1=2\sqrt{1} + \sqrt{1} = 2
        • 该因子 ∼−x2/22=−x24\sim \dfrac{-x^2/2}{2} = -\dfrac{x^2}{4}
      • ⑤ 合并求原极限:
        • 分母 ∼(−x24)⋅x=−x34\sim \left(-\dfrac{x^2}{4}\right) \cdot x = -\dfrac{x^3}{4}
        • 原极限 =lim⁡x→0−x32+o(x3)−x34+o(x3)=−12−14=2= \lim_{x \to 0} \dfrac{-\frac{x^3}{2} + o(x^3)}{-\frac{x^3}{4} + o(x^3)} = \dfrac{-\frac{1}{2}}{-\frac{1}{4}} = 2
    • 最终答案:
      • 22
  • 【分析模块】

    • 本题题目:
      • 求极限 lim⁡x→0sin⁡x−tan⁡x[1+ln⁡(1+x)−1+x](ex−1)\lim_{x \to 0} \dfrac{\sin x - \tan x}{\left[\sqrt{1+\ln(1+x)} - \sqrt{1+x}\right](e^x - 1)}
    • 解题思路:
      • 第一步(判断类型):分子分母均趋于 0,为 00\frac{0}{0} 型不定式;直接洛必达过于繁琐,改用等价无穷小与有理化化简
      • 第二步(化简分子):sin⁡x−tan⁡x=tan⁡x(cos⁡x−1)\sin x - \tan x = \tan x(\cos x - 1),用 tan⁡x∼x\tan x \sim x 与 cos⁡x−1∼−x22\cos x - 1 \sim -\frac{x^2}{2} 得分子 ∼−x32\sim -\frac{x^3}{2}
      • 第三步(化简分母):ex−1∼xe^x - 1 \sim x;1+ln⁡(1+x)−1+x\sqrt{1+\ln(1+x)} - \sqrt{1+x} 有理化后,由 ln⁡(1+x)−x∼−x22\ln(1+x) - x \sim -\frac{x^2}{2} 及分母趋于 22,得该因子 ∼−x24\sim -\frac{x^2}{4}
      • 第四步(求值):分母 ∼−x34\sim -\frac{x^3}{4},分子 ∼−x32\sim -\frac{x^3}{2},同阶相除得 22
    • 知识点大纲:
      • 主流程:极限 → 00\frac{0}{0} 型不定式 → 分子化简(提公因式+等价无穷小)→ 分母化简(等价无穷小+有理化+泰勒展开)→ 同阶相除 → 极限值 22
      • 化简分子:提公因式(sin⁡x−tan⁡x=tan⁡x(cos⁡x−1)\sin x - \tan x = \tan x(\cos x - 1))+ 等价无穷小(tan⁡x∼x\tan x \sim x,cos⁡x−1∼−x22\cos x - 1 \sim -\frac{x^2}{2})→ −x32-\dfrac{x^3}{2}
      • 化简分母:等价无穷小(ex−1∼xe^x - 1 \sim x)+ 有理化(A−B\sqrt{A} - \sqrt{B} 型,同乘 A+B\sqrt{A} + \sqrt{B})→ 泰勒展开(ln⁡(1+x)−x∼−x22\ln(1+x) - x \sim -\frac{x^2}{2})→ −x24-\dfrac{x^2}{4}
      • 求极限:分子分母同阶(均为 x3x^3 阶)→ 比值 −1/2−1/4=2\dfrac{-1/2}{-1/4} = 2
  • 【学习模块】

    • 第1步:先弄清题目 lim⁡x→0sin⁡x−tan⁡x[1+ln⁡(1+x)−1+x](ex−1)\lim_{x \to 0}\dfrac{\sin x - \tan x}{[\sqrt{1+\ln(1+x)} - \sqrt{1+x}](e^x - 1)} 要我们做什么
      • 本题相关:
        • 题目要求当 x→0x \to 0 时,求分式 sin⁡x−tan⁡x[1+ln⁡(1+x)−1+x](ex−1)\dfrac{\sin x - \tan x}{\left[\sqrt{1+\ln(1+x)} - \sqrt{1+x}\right](e^x - 1)} 的极限值
      • 思路:
        • 先看懂题目在问什么:分子、分母都是复杂式子,让我们看 xx 无限接近 0 时,整个分式接近什么数
      • 知识点(什么是极限):
        • 严谨定义:
          • 设函数 f(x)f(x) 在 x0x_0 的某去心邻域内有定义,若当 xx 无限接近 x0x_0 时,f(x)f(x) 无限接近常数 AA,则称 lim⁡x→x0f(x)=A\lim_{x \to x_0} f(x) = A
        • 通俗讲解:
          • 极限看的是趋势:xx 越来越靠近 0 时函数值走向哪里,而不是 x=0x = 0 处具体等于什么
        • 生活类比:
          • 看一辆车靠近路口时的速度趋势,而不是车停在路口那一瞬间的速度
      • 计算(先尝试直接代入):
        • 分子:sin⁡0−tan⁡0=0−0=0\sin 0 - \tan 0 = 0 - 0 = 0
        • 分母:(1+ln⁡1−1)(e0−1)=(1−1)(1−1)=0⋅0=0\left(\sqrt{1+\ln 1} - \sqrt{1}\right)(e^0 - 1) = (\sqrt{1} - \sqrt{1})(1 - 1) = 0 \cdot 0 = 0
        • 出现 00\frac{0}{0},无法直接得到答案——这正是"不定式"
      • 易错点:
        • 00\frac{0}{0} 型不是极限等于 0,也不是极限不存在,而是"暂时算不出、需要继续化简";基本值 ln⁡1=0\ln 1 = 0、e0=1e^0 = 1 要记牢
    • 第2步:判断题目类型并选方法——00\frac{0}{0} 型为何不首选洛必达
      • 本题相关:
        • 题目为 lim⁡x→0sin⁡x−tan⁡x[1+ln⁡(1+x)−1+x](ex−1)\lim_{x \to 0} \dfrac{\sin x - \tan x}{\left[\sqrt{1+\ln(1+x)} - \sqrt{1+x}\right](e^x - 1)}:分子趋于 0,分母的每个因子都趋于 0
      • 思路:
        • 遇到 00\frac{0}{0} 型,通用方法有洛必达法则,但本题分母是"两项的乘积",其中还含根号之差,对分母求导(乘积法则)后式子会变得极复杂
        • 更聪明的做法:把每个"小块"都换成它的等价无穷小,让整个式子变成简单的 xx 的幂,一除就出答案
      • 知识点(00\frac{0}{0} 型不定式):
        • 严谨定义:
          • 若 lim⁡x→x0f(x)=0\lim_{x \to x_0} f(x) = 0 且 lim⁡x→x0g(x)=0\lim_{x \to x_0} g(x) = 0,则 lim⁡f(x)g(x)\lim \dfrac{f(x)}{g(x)} 称为 00\frac{0}{0} 型不定式,其值需经变形后才可确定
        • 通俗讲解:
          • 两个都趋向 0 的量相比——"谁趋 0 更快"决定了结果,不能想当然
        • 生活类比:
          • 两辆车都"几乎没动",但一辆每小时挪 1 米、一辆每小时挪 3 米,速度差三倍——关键是比较"趋 0 的速度"
      • 知识点(洛必达法则):
        • 严谨定义:
          • 若 f(x),g(x)f(x), g(x) 在 x0x_0 的某去心邻域内可导且 g′(x)≠0g'(x) \neq 0,lim⁡f(x)=lim⁡g(x)=0\lim f(x) = \lim g(x) = 0(或均为 ∞\infty),且 lim⁡f′(x)g′(x)\lim \dfrac{f'(x)}{g'(x)} 存在(或为 ∞\infty),则 lim⁡f(x)g(x)=lim⁡f′(x)g′(x)\lim \dfrac{f(x)}{g(x)} = \lim \dfrac{f'(x)}{g'(x)}
        • 通俗讲解:
          • 洛必达把"看不出的 0 比 0"变成"求导之后再比"。本题分母求导会越变越乱,所以不首选
      • 易错点:
        • 不要一见 00\frac{0}{0} 就立刻洛必达;先用等价无穷小把简单部分消掉,常常一步到位
    • 第3步:化简分子 sin⁡x−tan⁡x\sin x - \tan x —— 提公因式 tan⁡x\tan x 再套等价无穷小
      • 本题相关:
        • 分子是 sin⁡x−tan⁡x\sin x - \tan x,需要确定当 x→0x \to 0 时它相当于几阶无穷小
      • 思路:
        • 直接用 sin⁡x∼x\sin x \sim x、tan⁡x∼x\tan x \sim x 会得到 x−x=0x - x = 0,没有意义——因为减号两边的主部完全相同、互相抵消了
        • 必须先变形再替换:把公共因子 tan⁡x\tan x 提出,让减号两边"不一样",才能看出真正的主部
      • 知识点(等价无穷小的定义与替换原则):
        • 严谨定义:
          • 若 lim⁡α(x)β(x)=1\lim \dfrac{\alpha(x)}{\beta(x)} = 1,则称 α\alpha 与 β\beta 为 x→x0x \to x_0 时的等价无穷小,记 α∼β\alpha \sim \beta
          • 替换原则:等价无穷小只可在乘除因子中替换;在加减运算中不能随意整体替换(否则可能把主部抵消,得到错误结果)
        • 通俗讲解:
          • "等价"即"趋于 0 的速度完全相同"。乘除中替换等于换一个同速搭档,不影响比值;加减中直接换,可能把主部消掉
      • 知识点(常用等价无穷小公式,当 x→0x \to 0 时):
        • 严谨定义:
          • sin⁡x∼x\sin x \sim x;tan⁡x∼x\tan x \sim x;arcsin⁡x∼x\arcsin x \sim x;arctan⁡x∼x\arctan x \sim x;ln⁡(1+x)∼x\ln(1+x) \sim x;ex−1∼xe^x - 1 \sim x;(1+x)α−1∼αx(1+x)^\alpha - 1 \sim \alpha x
          • 1−cos⁡x∼x221 - \cos x \sim \dfrac{x^2}{2},即 cos⁡x−1∼−x22\cos x - 1 \sim -\dfrac{x^2}{2}
          • ln⁡(1+x)−x∼−x22\ln(1+x) - x \sim -\dfrac{x^2}{2}
        • 通俗讲解:
          • 这是一张"翻译表":把复杂函数在 0 附近翻译成简单幂 xnx^n。第一行的都是一阶(xx 阶),1−cos⁡x1 - \cos x 是二阶(x2x^2 阶)
      • 计算(化简分子的完整过程):
        • 变形:sin⁡x−tan⁡x=tan⁡xcos⁡x−tan⁡x=tan⁡x(cos⁡x−1)\sin x - \tan x = \tan x \cos x - \tan x = \tan x(\cos x - 1)(因为 tan⁡xcos⁡x=sin⁡x\tan x \cos x = \sin x)
        • 替换:tan⁡x∼x\tan x \sim x;cos⁡x−1∼−x22\cos x - 1 \sim -\dfrac{x^2}{2}
        • 相乘(乘积关系中替换合法):sin⁡x−tan⁡x∼x⋅(−x22)=−x32\sin x - \tan x \sim x \cdot \left(-\dfrac{x^2}{2}\right) = -\dfrac{x^3}{2}
      • 结论:
        • 分子是 x3x^3 阶无穷小,主部为 −x32-\dfrac{x^3}{2}
      • 易错点:
        • 绝不能写 sin⁡x−tan⁡x∼x−x=0\sin x - \tan x \sim x - x = 0:加减法中两个等价无穷小相减,主部被抵消,必须先变形
        • cos⁡x−1\cos x - 1 等价于 −x22-\dfrac{x^2}{2},负号不能丢;检验:tan⁡x(cos⁡x−1)\tan x(\cos x - 1) 展开确实等于 sin⁡x−tan⁡x\sin x - \tan x
    • 第4步:化简分母第一个因子 ex−1e^x - 1
      • 本题相关:
        • 分母为 [1+ln⁡(1+x)−1+x](ex−1)\left[\sqrt{1+\ln(1+x)} - \sqrt{1+x}\right](e^x - 1),本步处理其中的因子 ex−1e^x - 1
      • 思路:
        • ex−1e^x - 1 是最标准的形态,直接套公式 ex−1∼xe^x - 1 \sim x
      • 知识点(ex−1∼xe^x - 1 \sim x):
        • 严谨定义:
          • 当 x→0x \to 0 时,lim⁡ex−1x=1\lim \dfrac{e^x - 1}{x} = 1,故 ex−1∼xe^x - 1 \sim x
        • 通俗讲解:
          • 指数函数 exe^x 在 0 附近"长得像"直线 1+x1 + x,所以 ex−1e^x - 1 像 xx
      • 计算(替换的完整过程):
        • ex−1∼xe^x - 1 \sim x
      • 易错点:
        • 公式是 ex−1∼xe^x - 1 \sim x,不是 ex−1∼exe^x - 1 \sim e^x;只有"指数减 1"形态才成立
    • 第5步:化简分母第二个因子 1+ln⁡(1+x)−1+x\sqrt{1+\ln(1+x)} - \sqrt{1+x} —— 有理化
      • 本题相关:
        • 分母第二个因子是 1+ln⁡(1+x)−1+x\sqrt{1+\ln(1+x)} - \sqrt{1+x},即"根号下 1+ln⁡(1+x)1+\ln(1+x)"减去"根号下 1+x1+x",两个根号都趋于 1=1\sqrt{1} = 1
      • 思路:
        • 两个根号几乎相等(都接近 1),相减后主部抵消大半,看不清楚——对"A−B\sqrt{A} - \sqrt{B} 型"的万能方法是有理化:同乘 A+B\sqrt{A} + \sqrt{B},用平方差公式把根号差变成普通分式
      • 知识点(有理化公式):
        • 严谨定义:
          • (A−B)(A+B)=A−B(\sqrt{A} - \sqrt{B})(\sqrt{A} + \sqrt{B}) = A - B,故 A−B=A−BA+B\sqrt{A} - \sqrt{B} = \dfrac{A - B}{\sqrt{A} + \sqrt{B}}
        • 通俗讲解:
          • 根号差"藏在根号里"看不清楚;乘上符号相反的孪生兄弟(共轭式),根号被消掉,变为普通的 A−BA - B 除以普通式子
        • 生活类比:
          • 两个长得几乎一样的双胞胎站在一起难分辨,让他们"手拉手"(乘共轭),差异立刻显现
      • 知识点(ln⁡(1+x)\ln(1+x) 的泰勒展开):
        • 严谨定义:
          • 泰勒公式:若 ff 在 x0x_0 附近有直到 nn 阶导数,则 f(x)=f(x0)+f′(x0)(x−x0)+f′′(x0)2!(x−x0)2+⋯+f(n)(x0)n!(x−x0)n+o((x−x0)n)f(x) = f(x_0) + f'(x_0)(x-x_0) + \dfrac{f''(x_0)}{2!}(x-x_0)^2 + \cdots + \dfrac{f^{(n)}(x_0)}{n!}(x-x_0)^n + o\left((x-x_0)^n\right)
          • 对 f(x)=ln⁡(1+x)f(x) = \ln(1+x) 在 x0=0x_0 = 0 处展开:ln⁡(1+x)=x−x22+x33−⋯\ln(1+x) = x - \dfrac{x^2}{2} + \dfrac{x^3}{3} - \cdots,故 ln⁡(1+x)−x=−x22+o(x2)∼−x22\ln(1+x) - x = -\dfrac{x^2}{2} + o(x^2) \sim -\dfrac{x^2}{2}
        • 通俗讲解:
          • 泰勒展开用多项式逐层逼近复杂函数。ln⁡(1+x)\ln(1+x) 的"一阶部分"是 xx,"二阶部分"是 −x22-\dfrac{x^2}{2};减去 xx 后一阶抵消,剩下二阶主部 −x22-\dfrac{x^2}{2}
      • 计算(有理化的完整过程):
        • 有理化:1+ln⁡(1+x)−1+x=(1+ln⁡(1+x))−(1+x)1+ln⁡(1+x)+1+x=ln⁡(1+x)−x1+ln⁡(1+x)+1+x\sqrt{1+\ln(1+x)} - \sqrt{1+x} = \dfrac{(1+\ln(1+x)) - (1+x)}{\sqrt{1+\ln(1+x)} + \sqrt{1+x}} = \dfrac{\ln(1+x) - x}{\sqrt{1+\ln(1+x)} + \sqrt{1+x}}
        • 化分子:ln⁡(1+x)−x∼−x22\ln(1+x) - x \sim -\dfrac{x^2}{2}
        • 化分母:1+ln⁡(1+x)+1+x→1+0+1+0=1+1=2\sqrt{1+\ln(1+x)} + \sqrt{1+x} \to \sqrt{1+0} + \sqrt{1+0} = 1 + 1 = 2
        • 组合:该因子 ∼−x222=−x24\sim \dfrac{-\frac{x^2}{2}}{2} = -\dfrac{x^2}{4}
      • 易错点:
        • 有理化后分子是 ln⁡(1+x)−x\ln(1+x) - x(一阶抵消、剩二阶),需要用到 ln⁡(1+x)\ln(1+x) 展开的二阶项 −x22-\frac{x^2}{2},不能只取 ln⁡(1+x)∼x\ln(1+x) \sim x
        • 分母 1+ln⁡(1+x)+1+x\sqrt{1+\ln(1+x)} + \sqrt{1+x} 趋于 22(不是趋于 0!),相当于"除以 2"
        • 平方差中 (1+ln⁡(1+x))−(1+x)=ln⁡(1+x)−x(1+\ln(1+x)) - (1+x) = \ln(1+x) - x,两个 11 抵消,别把 ln⁡\ln 弄丢
    • 第6步:合并求值——分子 ∼−x32\sim -\frac{x^3}{2}、分母 ∼(−x24)⋅x=−x34\sim \left(-\frac{x^2}{4}\right) \cdot x = -\frac{x^3}{4},求原极限
      • 本题相关:
        • 已得:分子 ∼−x32\sim -\dfrac{x^3}{2};分母因子 ex−1∼xe^x - 1 \sim x、1+ln⁡(1+x)−1+x∼−x24\sqrt{1+\ln(1+x)} - \sqrt{1+x} \sim -\dfrac{x^2}{4}
      • 思路:
        • 把所有等价形式代回原式:分母成为 (−x24)⋅x\left(-\frac{x^2}{4}\right) \cdot x,与分子同为 x3x^3 阶;约去 x3x^3 后只剩常数比
      • 计算(求值的完整过程):
        • 分母 ∼(−x24)⋅x=−x34\sim \left(-\dfrac{x^2}{4}\right) \cdot x = -\dfrac{x^3}{4}
        • 原极限 =lim⁡x→0−x32+o(x3)−x34+o(x3)=−12−14=1214=2= \lim_{x \to 0} \dfrac{-\frac{x^3}{2} + o(x^3)}{-\frac{x^3}{4} + o(x^3)} = \dfrac{-\frac{1}{2}}{-\frac{1}{4}} = \dfrac{\frac{1}{2}}{\frac{1}{4}} = 2
      • 结论:
        • 原极限的值为 22
      • 意义:
        • 这类"分子分母都是若干小块组合、且小块之间相互抵消"的极限题,通用套路是:先变形(提公因式、有理化、泰勒展开)→ 再整体换等价无穷小 → 比较阶数 → 约分求值
      • 易错点:
        • 分子分母同为负号,负负得正,结果为 22 而非 −2-2
        • 分母两项相乘:x2⋅x=x3x^2 \cdot x = x^3 指数相加,别把阶数弄错;分子是 x3x^3 阶、分母也是 x3x^3 阶,才能直接约成常数
    • 全题知识地图:
      • 判断类型(00\frac{0}{0} 型)→ 分子化简(提公因式:sin⁡x−tan⁡x=tan⁡x(cos⁡x−1)\sin x - \tan x = \tan x(\cos x - 1) → tan⁡x∼x\tan x \sim x、cos⁡x−1∼−x22\cos x - 1 \sim -\frac{x^2}{2} → −x32-\frac{x^3}{2})→ 分母化简(ex−1∼xe^x - 1 \sim x;A−B\sqrt{A} - \sqrt{B} 有理化 → ln⁡(1+x)−x∼−x22\ln(1+x) - x \sim -\frac{x^2}{2}、分母趋于 22 → −x24-\frac{x^2}{4})→ 合并(同为 x3x^3 阶,约分)→ 极限值是 22
    • 最终答案:
      • 22