Вычислите предел lim_{x->0} (sin x)/x различными способами и обсудите, при каких предпосылках (геометрических, аналитических) каждый метод корректен

21 Ноя в 10:37
2 +2
0
Ответы
1
Ответ: предел равен 1.
Приведу несколько разных методов и укажу необходимые предпосылки.
1) Геометрическое (не требует дифференцирования).
Для 0<x<π20<x<\tfrac{\pi}{2}0<x<2π на единичной окружности выполняется неравенство (сравнение площадей треугольника, сектора и другого треугольника)
sin⁡x<x<tan⁡x. \sin x < x < \tan x.
sinx<x<tanx.
Разделив на sin⁡x\sin xsinx и домножив на cos⁡x\cos xcosx, получаем
cos⁡x<sin⁡xx<1. \cos x < \frac{\sin x}{x} < 1.
cosx<xsinx <1.
При x→0x\to 0x0 правая и левая границы стремятся к 111, отсюда по теореме о двух полицейских
lim⁡x→0sin⁡xx=1. \lim_{x\to 0}\frac{\sin x}{x}=1.
x0lim xsinx =1.
Предпосылки: углы измеряются в радианах (формула площади сектора 12r2θ\tfrac12 r^2\theta21 r2θ); базовые геометрические факты об окружности и монотонности площадей. Метод не использует производных.
2) Теорема о среднем значении (MVT).
Для функции f(t)=sin⁡tf(t)=\sin tf(t)=sint на [0,x][0,x][0,x] существует c∈(0,x)c\in(0,x)c(0,x) с
sin⁡x−sin⁡0x−0=cos⁡c⇒sin⁡xx=cos⁡c. \frac{\sin x-\sin 0}{x-0}=\cos c\quad\Rightarrow\quad\frac{\sin x}{x}=\cos c.
x0sinxsin0 =coscxsinx =cosc.
При x→0x\to 0x0 имеем c→0c\to0c0 и cos⁡c→1\cos c\to1cosc1, значит предел равен 1.
Предпосылки: fff дифференцируема на интервалах (нужна производная cos⁡\coscos и её непрерывность). Если дифференцируемость sin⁡\sinsin доказывается независимым способом, метод корректен; иначе может быть круговая зависимость с определением производной.
3) Правило Лопиталя.
Так как sin⁡0=0\sin 0=0sin0=0 и x→0x\to0x0 даёт неопределённость 0/00/00/0, применяем Лопиталя:
lim⁡x→0sin⁡xx=lim⁡x→0(sin⁡x)′(x)′=lim⁡x→0cos⁡x1=1. \lim_{x\to0}\frac{\sin x}{x}=\lim_{x\to0}\frac{(\sin x)'}{(x)'}=\lim_{x\to0}\frac{\cos x}{1}=1.
x0lim xsinx =x0lim (x)(sinx) =x0lim 1cosx =1.
Предпосылки: применимы только если sin⁡\sinsin дифференцируема в окрестности 0 и известно значение её производной (sin⁡x)′=cos⁡x(\sin x)'=\cos x(sinx)=cosx. Поэтому этот метод требует предварительного доказательства дифференцируемости синуса.
4) Ряд Тейлора / степенной ряд.
Если известно разложение
sin⁡x=∑n=0∞(−1)nx2n+1(2n+1)!=x−x36+⋯ , \sin x=\sum_{n=0}^\infty\frac{(-1)^n x^{2n+1}}{(2n+1)!}=x-\frac{x^3}{6}+\cdots,
sinx=n=0 (2n+1)!(1)nx2n+1 =x6x3 +,
то
sin⁡xx=1−x26+⋯→1(x→0). \frac{\sin x}{x}=1-\frac{x^2}{6}+\cdots\to1\quad(x\to0).
xsinx =16x2 +1(x0).
Предпосылки: знание корректного разложения синуса в степенной ряд (сходимость в окрестности 0).
5) Через экспоненту (Эйлерова формула).
sin⁡x=eix−e−ix2i,⇒sin⁡xx=eix−12ix−e−ix−12ix. \sin x=\frac{e^{ix}-e^{-ix}}{2i},\quad\Rightarrow\quad\frac{\sin x}{x}=\frac{e^{ix}-1}{2ix}-\frac{e^{-ix}-1}{2ix}.
sinx=2ieixeix ,xsinx =2ixeix1 2ixeix1 .
Используя lim⁡z→0ez−1z=1\lim_{z\to0}\tfrac{e^{z}-1}{z}=1limz0 zez1 =1 даём тот же результат 111.
Предпосылки: свойства экспоненты (её предел/производная в 0).
Замечание о единицах: все приведённые утверждения корректны при измерении угла в радианах. Если аргумент дан в градусах, предел будет отличаться (в частности, если xxx — угол в градусах, lim⁡x→0sin⁡x∘x=π/180\lim_{x\to0}\frac{\sin x^\circ}{x}=\pi/180limx0 xsinx =π/180).
Итого: наиболее элементарный (наименьшие аналитические предпосылки) — геометрический squeeze-аргумент; остальные методы требуют знаний о дифференцировании, рядах или свойствах экспоненты.
21 Ноя в 10:46
Не можешь разобраться в этой теме?
Обратись за помощью к экспертам
Гарантированные бесплатные доработки в течение 1 года
Быстрое выполнение от 2 часов
Проверка работы на плагиат
Поможем написать учебную работу
Прямой эфир