Кейс на исправление вычисления предела: в вычислении lim_{x->0} (sin x)/x заменили sin x на x - x^3/6 и отбросили высшие члены без оценки погрешности — проанализируйте, когда такое сокращение корректно и как оценить ошибку
Кратко: такое сокращение корректно, когда отброшенный остаток сравнительно мал по отношению к тому, с чем вы сравниваете выражение (здесь — по отношению к xxx). Надёжно оценить погрешность можно через остаток ряда Тейлора (форма Лагранжа) или неравенство для чередующегося ряда. Детали и оценки. 1) Запись с остатком: sinx=x−x36+R(x).
\sin x = x - \frac{x^3}{6} + R(x). sinx=x−6x3+R(x). 2) Оценка остатка (форма Лагранжа) — существует ξ\xiξ между 000 и xxx такая, что R(x)=sin(ξ)24 x4.
R(x)=\frac{\sin(\xi)}{24}\,x^4. R(x)=24sin(ξ)x4.
Отсюда, поскольку ∣sin(ξ)∣≤∣ξ∣≤∣x∣|\sin(\xi)|\le|\xi|\le|x|∣sin(ξ)∣≤∣ξ∣≤∣x∣, ∣R(x)∣≤∣x∣524,
|R(x)|\le\frac{|x|^5}{24}, ∣R(x)∣≤24∣x∣5,
то есть R(x)=O(x5)R(x)=O(x^5)R(x)=O(x5) при x→0x\to0x→0. (Альтернативно, для ∣x∣≤1|x|\le1∣x∣≤1 можно воспользоваться чередующимся рядом и получить более точную оценку ∣R(x)∣≤∣x∣55!=∣x∣5120.
|R(x)|\le\frac{|x|^5}{5!}=\frac{|x|^5}{120}. ∣R(x)∣≤5!∣x∣5=120∣x∣5.
) 3) Применение к пределу: sinxx=1−x26+R(x)x.
\frac{\sin x}{x}=1-\frac{x^2}{6}+\frac{R(x)}{x}. xsinx=1−6x2+xR(x).
По оценке ∣R(x)∣≤C∣x∣5|R(x)|\le C|x|^5∣R(x)∣≤C∣x∣5 имеем R(x)x=O(x4)→0\frac{R(x)}{x}=O(x^4)\to0xR(x)=O(x4)→0 при x→0x\to0x→0. Поэтому limx→0sinxx=1.
\lim_{x\to0}\frac{\sin x}{x}=1. x→0limxsinx=1. Вывод: отбросить старшие члены можно, если вы показываете, что остаток при делении на нужную степень xxx стремится к нулю (т.е. остаток — o(x)o(x)o(x), o(x2)o(x^2)o(x2) и т.д., в зависимости от задачи). Для синуса после терма −x3/6-x^3/6−x3/6 остаток равен O(x5)O(x^5)O(x5), так что в вычислении limx→0sinxx\lim_{x\to0}\frac{\sin x}{x}limx→0xsinx такое сокращение полностью оправдано.
Детали и оценки.
1) Запись с остатком:
sinx=x−x36+R(x). \sin x = x - \frac{x^3}{6} + R(x).
sinx=x−6x3 +R(x).
2) Оценка остатка (форма Лагранжа) — существует ξ\xiξ между 000 и xxx такая, что
R(x)=sin(ξ)24 x4. R(x)=\frac{\sin(\xi)}{24}\,x^4.
R(x)=24sin(ξ) x4. Отсюда, поскольку ∣sin(ξ)∣≤∣ξ∣≤∣x∣|\sin(\xi)|\le|\xi|\le|x|∣sin(ξ)∣≤∣ξ∣≤∣x∣,
∣R(x)∣≤∣x∣524, |R(x)|\le\frac{|x|^5}{24},
∣R(x)∣≤24∣x∣5 , то есть R(x)=O(x5)R(x)=O(x^5)R(x)=O(x5) при x→0x\to0x→0.
(Альтернативно, для ∣x∣≤1|x|\le1∣x∣≤1 можно воспользоваться чередующимся рядом и получить более точную оценку
∣R(x)∣≤∣x∣55!=∣x∣5120. |R(x)|\le\frac{|x|^5}{5!}=\frac{|x|^5}{120}.
∣R(x)∣≤5!∣x∣5 =120∣x∣5 . )
3) Применение к пределу:
sinxx=1−x26+R(x)x. \frac{\sin x}{x}=1-\frac{x^2}{6}+\frac{R(x)}{x}.
xsinx =1−6x2 +xR(x) . По оценке ∣R(x)∣≤C∣x∣5|R(x)|\le C|x|^5∣R(x)∣≤C∣x∣5 имеем R(x)x=O(x4)→0\frac{R(x)}{x}=O(x^4)\to0xR(x) =O(x4)→0 при x→0x\to0x→0. Поэтому
limx→0sinxx=1. \lim_{x\to0}\frac{\sin x}{x}=1.
x→0lim xsinx =1.
Вывод: отбросить старшие члены можно, если вы показываете, что остаток при делении на нужную степень xxx стремится к нулю (т.е. остаток — o(x)o(x)o(x), o(x2)o(x^2)o(x2) и т.д., в зависимости от задачи). Для синуса после терма −x3/6-x^3/6−x3/6 остаток равен O(x5)O(x^5)O(x5), так что в вычислении limx→0sinxx\lim_{x\to0}\frac{\sin x}{x}limx→0 xsinx такое сокращение полностью оправдано.