Исследуйте предел lim_{x->0} (1 + sin x)^{1/x}: какие методы (логарифмирование и разложение в ряд Тейлора, использование общей формулы (1+u)^{1/u}) применимы, приведите строгую схему доказательства существования и нахождения предела
Ответ: предел существует и равен eee. Краткие применимые методы: 1) Логарифмирование и предельное тождество limu→0ln(1+u)u=1\displaystyle\lim_{u\to0}\frac{\ln(1+u)}{u}=1u→0limuln(1+u)=1. 2) Разложение в ряд Тейлора для sinx\sin xsinx и ln(1+u)\ln(1+u)ln(1+u). 3) Универсальная формула limu→0(1+u)1/u=e\displaystyle\lim_{u\to0}(1+u)^{1/u}=eu→0lim(1+u)1/u=e с заменой u=sinxu=\sin xu=sinx. Строгая схема доказательства (логарифмирование, минимальные предпосылки): 1. Обозначим L=limx→0(1+sinx)1/xL=\displaystyle\lim_{x\to0}(1+\sin x)^{1/x}L=x→0lim(1+sinx)1/x (если предел существует и положителен, можно логарифмировать). Рассмотрим lnL=limx→0ln(1+sinx)x\ln L=\displaystyle\lim_{x\to0}\frac{\ln(1+\sin x)}{x}lnL=x→0limxln(1+sinx), при условии существования предела правой части. 2. Представим дробь как произведение ln(1+sinx)x=ln(1+sinx)sinx⋅sinxx.
\frac{\ln(1+\sin x)}{x}=\frac{\ln(1+\sin x)}{\sin x}\cdot\frac{\sin x}{x}. xln(1+sinx)=sinxln(1+sinx)⋅xsinx.
3. Из известных пределов имеем limt→0ln(1+t)t=1\displaystyle\lim_{t\to0}\frac{\ln(1+t)}{t}=1t→0limtln(1+t)=1 и limx→0sinxx=1\displaystyle\lim_{x\to0}\frac{\sin x}{x}=1x→0limxsinx=1. Так как при x→0x\to0x→0 выполняется sinx→0\sin x\to0sinx→0, получаем limx→0ln(1+sinx)x=1⋅1=1.
\lim_{x\to0}\frac{\ln(1+\sin x)}{x}=1\cdot1=1. x→0limxln(1+sinx)=1⋅1=1.
4. Следовательно lnL=1\ln L=1lnL=1, откуда L=eL=eL=e. Альтернативное (через ряды Тейлора): sinx=x+o(x)\sin x=x+o(x)sinx=x+o(x) при x→0x\to0x→0, поэтому ln(1+sinx)=sinx+o(sinx)=x+o(x)\ln(1+\sin x)=\sin x+o(\sin x)=x+o(x)ln(1+sinx)=sinx+o(sinx)=x+o(x). Делением на xxx получаем предел 111, как выше, значит L=eL=eL=e. Также можно использовать формулу (1+u)1/u→e(1+u)^{1/u}\to e(1+u)1/u→e: записать (1+sinx)1/x=((1+sinx)1/sinx)sinx/x,
(1+\sin x)^{1/x}=\Big((1+\sin x)^{1/\sin x}\Big)^{\sin x/x}, (1+sinx)1/x=((1+sinx)1/sinx)sinx/x,
и при x→0x\to0x→0 правая часть стремится к e1=ee^1=ee1=e. Итого: limx→0(1+sinx)1/x=e\displaystyle\lim_{x\to0}(1+\sin x)^{1/x}=ex→0lim(1+sinx)1/x=e.
Краткие применимые методы:
1) Логарифмирование и предельное тождество limu→0ln(1+u)u=1\displaystyle\lim_{u\to0}\frac{\ln(1+u)}{u}=1u→0lim uln(1+u) =1.
2) Разложение в ряд Тейлора для sinx\sin xsinx и ln(1+u)\ln(1+u)ln(1+u).
3) Универсальная формула limu→0(1+u)1/u=e\displaystyle\lim_{u\to0}(1+u)^{1/u}=eu→0lim (1+u)1/u=e с заменой u=sinxu=\sin xu=sinx.
Строгая схема доказательства (логарифмирование, минимальные предпосылки):
1. Обозначим L=limx→0(1+sinx)1/xL=\displaystyle\lim_{x\to0}(1+\sin x)^{1/x}L=x→0lim (1+sinx)1/x (если предел существует и положителен, можно логарифмировать). Рассмотрим lnL=limx→0ln(1+sinx)x\ln L=\displaystyle\lim_{x\to0}\frac{\ln(1+\sin x)}{x}lnL=x→0lim xln(1+sinx) , при условии существования предела правой части.
2. Представим дробь как произведение
ln(1+sinx)x=ln(1+sinx)sinx⋅sinxx. \frac{\ln(1+\sin x)}{x}=\frac{\ln(1+\sin x)}{\sin x}\cdot\frac{\sin x}{x}.
xln(1+sinx) =sinxln(1+sinx) ⋅xsinx . 3. Из известных пределов имеем limt→0ln(1+t)t=1\displaystyle\lim_{t\to0}\frac{\ln(1+t)}{t}=1t→0lim tln(1+t) =1 и limx→0sinxx=1\displaystyle\lim_{x\to0}\frac{\sin x}{x}=1x→0lim xsinx =1. Так как при x→0x\to0x→0 выполняется sinx→0\sin x\to0sinx→0, получаем
limx→0ln(1+sinx)x=1⋅1=1. \lim_{x\to0}\frac{\ln(1+\sin x)}{x}=1\cdot1=1.
x→0lim xln(1+sinx) =1⋅1=1. 4. Следовательно lnL=1\ln L=1lnL=1, откуда L=eL=eL=e.
Альтернативное (через ряды Тейлора): sinx=x+o(x)\sin x=x+o(x)sinx=x+o(x) при x→0x\to0x→0, поэтому ln(1+sinx)=sinx+o(sinx)=x+o(x)\ln(1+\sin x)=\sin x+o(\sin x)=x+o(x)ln(1+sinx)=sinx+o(sinx)=x+o(x). Делением на xxx получаем предел 111, как выше, значит L=eL=eL=e.
Также можно использовать формулу (1+u)1/u→e(1+u)^{1/u}\to e(1+u)1/u→e: записать
(1+sinx)1/x=((1+sinx)1/sinx)sinx/x, (1+\sin x)^{1/x}=\Big((1+\sin x)^{1/\sin x}\Big)^{\sin x/x},
(1+sinx)1/x=((1+sinx)1/sinx)sinx/x, и при x→0x\to0x→0 правая часть стремится к e1=ee^1=ee1=e.
Итого: limx→0(1+sinx)1/x=e\displaystyle\lim_{x\to0}(1+\sin x)^{1/x}=ex→0lim (1+sinx)1/x=e.