Тригонометрический кейс для выбора метода: вычислить предел lim_{x->0} (sin(ax) - ax + (ax)^3/6) / x^5 для параметра a; предложите несколько способов (разложение в ряд Тейлора, правило Лопиталя, формулы триг. тождеств) и обсудите, при каких условиях каждый метод проще и надежнее
Ответ: предел равен a5120 \dfrac{a^5}{120}120a5. Способы и комментарии. 1) Разложение в ряд Тейлора (самый простой и прямой). Для малого uuu имеет место sinu=u−u36+u5120+o(u5)\sin u = u - \dfrac{u^3}{6} + \dfrac{u^5}{120} + o(u^5)sinu=u−6u3+120u5+o(u5). Положив u=axu=axu=ax, получаем числитель sin(ax)−ax+(ax)36=(ax)5120+o(x5)\sin(ax)-ax+\dfrac{(ax)^3}{6} = \dfrac{(ax)^5}{120} + o(x^5)sin(ax)−ax+6(ax)3=120(ax)5+o(x5), следовательно limx→0sin(ax)−ax+(ax)36x5=a5120.\lim_{x\to0}\dfrac{\sin(ax)-ax+\tfrac{(ax)^3}{6}}{x^5} = \dfrac{a^5}{120}.limx→0x5sin(ax)−ax+6(ax)3=120a5.
Удобно, когда известны ряды Тейлора; быстро и надёжно при конечном aaa. 2) Правило Лопиталя (систематический, но трудоёмкий). Нумератор и знаменатель дают неопределённость 0/00/00/0; применяя Лопиталя пять раз, limx→0N(x)x5=N(5)(0)5!,\lim_{x\to0}\dfrac{N(x)}{x^5} = \dfrac{N^{(5)}(0)}{5!},limx→0x5N(x)=5!N(5)(0),
где N(x)=sin(ax)−ax+(ax)36N(x)=\sin(ax)-ax+\tfrac{(ax)^3}{6}N(x)=sin(ax)−ax+6(ax)3. Вычисляя производные, получаем N(5)(0)=a5N^{(5)}(0)=a^5N(5)(0)=a5, а 5!=1205!=1205!=120, отсюда тот же результат a5120\dfrac{a^5}{120}120a5. Полезно, когда предпочитают дифференцирование вместо серий; менее удобно при необходимости многих дифференцирований. 3) Теорема о остаточном члене Тейлора (Лагранж, интегральная форма). По форме Лагранжа существует ξ\xiξ между 000 и axaxax такая, что sin(ax)−ax+(ax)36=(ax)5120cos(ξ).\sin(ax)-ax+\tfrac{(ax)^3}{6} = \tfrac{(ax)^5}{120}\cos(\xi).sin(ax)−ax+6(ax)3=120(ax)5cos(ξ).
При x→0x\to0x→0 имеем cos(ξ)→1\cos(\xi)\to1cos(ξ)→1, значит предел опять a5120\dfrac{a^5}{120}120a5. Это даёт строгую оценку остатка и удобно, если нужно строгое обоснование с явной оценкой погрешности. Условия применимости: все три метода требуют, чтобы aaa было конечным числом (действительным или комплексным); для a=0a=0a=0 формула даёт 0. Ряд Тейлора и остаток — наиболее краткие и надёжные; Лопиталя — универсален, но громоздок при высоких степенях; формулы с остатком полезны для строгих оценок.
Способы и комментарии.
1) Разложение в ряд Тейлора (самый простой и прямой). Для малого uuu имеет место
sinu=u−u36+u5120+o(u5)\sin u = u - \dfrac{u^3}{6} + \dfrac{u^5}{120} + o(u^5)sinu=u−6u3 +120u5 +o(u5).
Положив u=axu=axu=ax, получаем числитель
sin(ax)−ax+(ax)36=(ax)5120+o(x5)\sin(ax)-ax+\dfrac{(ax)^3}{6} = \dfrac{(ax)^5}{120} + o(x^5)sin(ax)−ax+6(ax)3 =120(ax)5 +o(x5),
следовательно
limx→0sin(ax)−ax+(ax)36x5=a5120.\lim_{x\to0}\dfrac{\sin(ax)-ax+\tfrac{(ax)^3}{6}}{x^5} = \dfrac{a^5}{120}.limx→0 x5sin(ax)−ax+6(ax)3 =120a5 . Удобно, когда известны ряды Тейлора; быстро и надёжно при конечном aaa.
2) Правило Лопиталя (систематический, но трудоёмкий). Нумератор и знаменатель дают неопределённость 0/00/00/0; применяя Лопиталя пять раз,
limx→0N(x)x5=N(5)(0)5!,\lim_{x\to0}\dfrac{N(x)}{x^5} = \dfrac{N^{(5)}(0)}{5!},limx→0 x5N(x) =5!N(5)(0) , где N(x)=sin(ax)−ax+(ax)36N(x)=\sin(ax)-ax+\tfrac{(ax)^3}{6}N(x)=sin(ax)−ax+6(ax)3 . Вычисляя производные, получаем N(5)(0)=a5N^{(5)}(0)=a^5N(5)(0)=a5, а 5!=1205!=1205!=120, отсюда тот же результат a5120\dfrac{a^5}{120}120a5 .
Полезно, когда предпочитают дифференцирование вместо серий; менее удобно при необходимости многих дифференцирований.
3) Теорема о остаточном члене Тейлора (Лагранж, интегральная форма). По форме Лагранжа существует ξ\xiξ между 000 и axaxax такая, что
sin(ax)−ax+(ax)36=(ax)5120cos(ξ).\sin(ax)-ax+\tfrac{(ax)^3}{6} = \tfrac{(ax)^5}{120}\cos(\xi).sin(ax)−ax+6(ax)3 =120(ax)5 cos(ξ). При x→0x\to0x→0 имеем cos(ξ)→1\cos(\xi)\to1cos(ξ)→1, значит предел опять a5120\dfrac{a^5}{120}120a5 .
Это даёт строгую оценку остатка и удобно, если нужно строгое обоснование с явной оценкой погрешности.
Условия применимости: все три метода требуют, чтобы aaa было конечным числом (действительным или комплексным); для a=0a=0a=0 формула даёт 0. Ряд Тейлора и остаток — наиболее краткие и надёжные; Лопиталя — универсален, но громоздок при высоких степенях; формулы с остатком полезны для строгих оценок.