例3 limx→0(1x2-cot2x)
解法1:原式=limx→0sin2x-x2cos2xx2sin2x
=limx→0(sinx+xcosx)(sinx-xcosx)x4
=limx→0x2(1+cosx)(1-cosx)x4 (∵ sinx~x)
=limx→0(1+cosx)(1-cosx)x2
=limx→012x2·(1+cosx)x2=1
解法2:原式=limx→0tan2x-x2x2tan2x
=limx→0(tanx+x)(tanx-x)x4
=limx→02x(tanx-x)x44 (∵ tanx~x)
=limx→02(tanx-x)x3=limx→02(sec2x-1)3x2
=23limx→0tan2xx2=23 (∵ tanx~x)
两种解法的结果不同,哪一种正确呢?可以发现解法1错了,根源在于错用sinx-xcosx~x-xcosx (注意limx→0sinx-xcosx=-1), 由性质③ sinx-xcosx并不等价于x-xcosx 。 从解法2又可以看到尽管罗比塔法则是求极限的一个有力工具,但往往需要几种方法结合起来运用,特别是恰当适时地运用等价无穷小的代换,能使运算简便,很快得出结果。
2.2 在正项级数的审敛判别法中,用得比较多的是比较审敛法的极限形式,它也是无穷小的一个应用。
比较审敛法的极限形式:设∑∞n=1un 和∑∞n=1vn 都是正项级数, ① 如果limn→∞unvn=l(0≤l<+∞) ,且级数∑∞n=1vn收敛,则级数∑∞n=1un收敛。
② 如果limn→∞unvn=l>0 或limn→∞unvn=+∞,且级数∑∞n=1vn发散,则级数∑∞n=1un发散。当l=1时,∑un,∑vn就是等价无穷小。由比较审敛法的极限形式知,∑un与∑vn同敛散性,只要已知∑un,∑vn中某一个的敛散性,就可以找到另一个的敛散性。
例4 判定∑∞n=11n2-lnn 的敛散性
解: ∵ limn→∞1n2-lnn1n2=limn→∞n2n2-lnn=1 又∑1n2 收敛 ∴ ∑∞n=11n2-lnn 收敛
例5 研究∑∞n=11ln(1+n)的敛散性
解: limn→∞1ln(1+n)1n=limn→∞nln(1+n)=1 而∑1n 发散 ∴ ∑∞n=11ln(1+n) 发散
3 等价无穷小无可比拟的作用
以例3看,若直接用罗比塔法则会发现出现以下结果:
原式=limx→0tan2x-x2x2tan2x=limx→02(secx·tanx-x)2xtan2x+2x2tanx·secx
=limx→0secx(tan2x-sec2x)-1tan2x+4x·tanx·secx+x2secx(sec2x+tan2x)式子越变越复杂,难于求出最后的结果。而解法2适时运用性质①,将分母x2tan2x替换成x4,又将分子分解因式后进行等价替换,从而很快地求出正确结果。再看一例:
例6[3] limx→0+tan(sinx)sin(tanx)
解:原式=limx→0+sec2(sinx)cosx2tan(sinx)cos(tanx)sec2x2sin(tanx) (用罗比塔法则)
=limx→0+sec2(sinx)cosxcos(tanx)sec2x·limx→0+sin(tanx)tan(sinx) (分离非零极限乘积因子)
=limx→0+sin(tanx)tan(sinx) (算出非零极限)
=limx→0+cos(sinx)sec2x2sin(tanx)sec2(sinx)cosx2tan(sinx) (用罗比塔法则)
=limx→0+cos(sinx)sec2xsec2(sinx)cosx·limx→0+tan(sinx)sin(tanx)
=limx→0+tan(sinx)sin(tanx)
出现循环,此时用罗比塔法则求不出结果。怎么办?用等价无穷小代换。
∵ x~sinx~tanx(x→0)
∴ 原式=limx→0+xx=1而得解。
由此可看到罗比塔法则并不是万能的,也不一定是最佳的,它的使用具有局限性[3]。只要充分地掌握好等价无穷小的4条性质就不难求出正确的结论。
【参考文献】
1 同济大学应用数学系,主编.高等数学.第5版.北京:高等教育出版社,2002,7(38):56~59.
2 杨文泰,等.价无穷小量代换定理的推广.甘肃高师学报,2005,10(2):11~13.
3 王斌.用罗比塔法则求未定式极限的局限性的探讨.黔西南民族师专学报,2001,12(4):56~58.