每日一题/012/数学分析/求极限/拉格拉日中值定理/幂指函数求导

该博文详细展示了如何利用拉格拉日中值定理求解一个复杂的极限问题,通过构造函数、求导及应用极限定理,最终得出解答为3/4e^2。

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题目:
求:
lim⁡x→0(esin⁡x+sin⁡x)1sin⁡x−(etan⁡x+tan⁡x)1tan⁡xx3 \lim _{x \rightarrow 0} \frac{\left(e^{\sin x}+\sin x\right)^{\frac{1}{\sin x}}-\left(e^{\tan x}+\tan x\right)^{\frac{1}{\tan x}}}{x^{3}} x0limx3(esinx+sinx)sinx1(etanx+tanx)tanx1


参考答案:
设函数

f(x)=(ex+x)1xf(x)=(e^x+x)^{\frac{1}{ x}}f(x)=(ex+x)x1

取对数

ln⁡f(x)=ln⁡(ex+x)x\ln f(x)=\frac{\ln(e^x+x)}{x}lnf(x)=xln(ex+x)

求导

f′(x)f(x)=ex+1ex+x⋅x−ln⁡(ex+x)x2\frac{f'(x)}{f(x)}=\frac{\frac{e^x+1}{e^x+x}\cdot x-\ln(e^x+x)}{x^2}f(x)f(x)=x2ex+xex+1xln(ex+x)

于是

f′(x)=ex+1ex+x⋅x−ln⁡(ex+x)x2⋅(ex+x)1xf'(x)=\frac{\frac{e^x+1}{e^x+x}\cdot x-\ln(e^x+x)}{x^2}\cdot(e^x+x)^{\frac{1}{x}}f(x)=x2ex+xex+1xln(ex+x)(ex+x)x1

下面来分别求出

lim⁡x→0ex+1ex+x⋅x−ln⁡(ex+x)x2和lim⁡x→0(ex+x)1x\lim_{x\to 0}\frac{\frac{e^x+1}{e^x+x}\cdot x-\ln(e^x+x)}{x^2}\quad\text{和}\quad\lim_{x\to 0}(e^x+x)^{\frac{1}{x}}x0limx2ex+xex+1xln(ex+x)x0lim(ex+x)x1

lim⁡x→0ex+1ex+x⋅x−ln⁡(ex+x)x2=lim⁡x→0ex(ex+x)−(ex+1)(ex+1)(ex+x)2⋅x2x=lim⁡x→0ex(ex+x)−(ex+1)22(ex+x)2=−32\begin{aligned} \lim_{x\to 0}\frac{\frac{e^x+1}{e^x+x}\cdot x-\ln(e^x+x)}{x^2}&=\lim_{x\to 0}\frac{\frac{e^x(e^x+x)-(e^x+1)(e^x+1)}{(e^x+x)^2}\cdot x}{2x}\\ &=\lim_{x\to 0}\frac{e^x(e^x+x)-(e^x+1)^2}{2(e^x+x)^2}\\ &=-\frac{3}{2} \end{aligned}x0limx2ex+xex+1xln(ex+x)=x0lim2x(ex+x)2ex(ex+x)(ex+1)(ex+1)x=x0lim2(ex+x)2ex(ex+x)(ex+1)2=23

lim⁡x→0(ex+x)1x=elim⁡x→0ln⁡(ex+x)x=elim⁡x→0ex+x−1x=elim⁡x→0ex+1=e2\begin{aligned} \lim_{x\to 0}(e^x+x)^{\frac{1}{x}}&=e^{\lim\limits_{x\to 0}\frac{\ln(e^x+x)}{x}}\\ &=e^{\lim\limits_{x\to 0}\frac{e^x+x-1}{x}}\\ &=e^{\lim\limits_{x\to 0}e^x +1}\\ &=e^2 \end{aligned}x0lim(ex+x)x1=ex0limxln(ex+x)=ex0limxex+x1=ex0limex+1=e2
所以
lim⁡x→0f(x)=−32e2\lim_{x\to 0}f(x)=-\frac{3}{2}e^2x0limf(x)=23e2


根据拉格拉日中值定理
lim⁡x→0(esin⁡x+sin⁡x)1sin⁡x−(etan⁡x+tan⁡x)1tan⁡xx3=lim⁡x→0f(sin⁡x)−f(tan⁡x)x3=lim⁡x→0f′(ξ)(sin⁡x−tan⁡x)x3ξ∈(sin⁡x,tan⁡x)=lim⁡x→0f′(ξ)lim⁡x→0sin⁡x−tan⁡xx3=−32e2⋅−12=34e2\begin{aligned} \lim _{x \rightarrow 0} \frac{\left(e^{\sin x}+\sin x\right)^{\frac{1}{\sin x}}-\left(e^{\tan x}+\tan x\right)^{\frac{1}{\tan x}}}{x^{3}}&=\lim_{x\to 0}\frac{f(\sin x)-f(\tan x)}{x^3}\\ &=\lim_{x\to 0}\frac{f'(\xi)(\sin x-\tan x)}{x^3}\qquad \xi\in(\sin x,\tan x)\\ &=\lim_{x\to 0}f'(\xi)\lim_{x\to 0}\frac{\sin x-\tan x}{x^3}\\ &=-\frac{3}{2}e^2\cdot-\frac{1}{2}\\ &=\frac{3}{4}e^2 \end{aligned}x0limx3(esinx+sinx)sinx1(etanx+tanx)tanx1=x0limx3f(sinx)f(tanx)=x0limx3f(ξ)(sinxtanx)ξ(sinx,tanx)=x0limf(ξ)x0limx3sinxtanx=23e221=43e2


2021年1月7日23:24:58

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