自然指數的定義
e:==n→∞lim(1+n1)nx→0lim(1+x)x1
複習與回顧
續上一篇討論重要極限 x→0limxsinx的幾個延伸題,
這回繼續討論由自然指數定義衍生出來的重要極限,及其相關的極限題。
回顧書中出現的極限
在《白話微積分》中,列出了幾個與 e 相關的重要極限:
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n→∞lim(1+n1)n=e
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n→∞lim(1+na)n=ea
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x→0lim(1+x)x1=e
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x→0lim(1+ax)x1=ea
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x→0limxln(1+x)=1
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x→0limxex−1=1
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x→0limxax−1=lna
回顧前文
也别忘了上篇文章所見過的幾個常用已知極限
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x→0limaxsinax=1
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x→0limaxtanax=1
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x→0limx21−cosx=21
回顧書中例題
\begin{align*} (1) \quad&\; \lim_{x\to0}\frac{5^x-3^x}{x}\\[4mm] =&\,\lim_{x\to0}\frac{\big(5^x-1\big)-\big(3^x-1\big)}{x}\\[4mm] =&\,\lim_{x\to0} \frac{5^x-1}{x}-\lim_{x\to0}\frac{3^x-1}{x}\\[4mm] =&\,\ln5-\ln3=\ln\frac{5}{3}\\[4mm] (2) \quad&\; \lim_{x\to0}\big(1+2x\big)^{\frac{1}{\sin(x)}}\\[4mm] =&\,\lim_{x\to0}\bigg\[ \big(1+2x\big)^{\frac{1}{2x}} \bigg\]^{\frac{x}{\sin(x)}\cdot2} =e^2\\[4mm] (3) \quad&\; \lim_{x\to0} \big(1+x^2\big)^{\cot^2(x)}\\[4mm] =&\,\lim_{x\to0}\bigg\[ \big(1+x^2\big)^{\frac{1}{x^2}} \bigg\]^{x^2\cdot\cot^2(x)}\\[4mm] =&\,\lim_{x\to0}\bigg\[ \big(1+x^2\big)^{\frac{1}{x^2}} \bigg\]^{\frac{x^2}{\sin^2(x)}\cdot\cos^2(x)}\\[4mm] =&\,e^{(1\cdot1)}=e\\[4mm] (4) \quad&\; \lim_{x\to0} \big(e^x+\sin(x)\big)^{\frac{2}{x}}\\[4mm] =&\,\lim_{x\to0}e^2\cdot \Big(1+\frac{\sin(x)}{e^x} \Big)^{\frac{2}{x}}\\[4mm] =&\,e^2\cdot\lim_{x\to0}\bigg\[ \big(1+\frac{\sin(x)}{e^x}\big)^{\frac{e^x}{\sin(x)}} \bigg\]^{\frac{\sin(x)}{x} \cdot2\cdot\frac{1}{e^x}}\\[4mm] =&\,e^2\cdot e^2=e^4\\[4mm] (5) \quad&\; \lim_{x\to\infty} \Big(\frac{x+a}{x-a}\Big)^{x}\\[4mm] =&\,\lim_{x\to\infty} \Big(\frac{x-a+2a}{x-a}\Big)^{x}\\[4mm] =&\,\lim_{x\to\infty} \Big(1+\frac{2a}{x-a}\Big)^{x-a} \cdot\Big(1+\frac{2a}{x-a}\Big)^{7a}\\[4mm] =&\,e^{2a}\cdot1=e^3\;\; \Rightarrow a=\frac{3}{2} \end{align*}
延伸題
延伸題 1
x→0lim(1+3x)sinx2
解
\begin{align} &\,\lim_{x\to0} \big(1+3x\big)^{\frac{2}{\sin x}}\\[4mm] =&\,\lim_{x\to0} \bigg\[\big(1+3x\big)^{\frac{1}{3x}} \bigg\]^{\frac{2}{\sin x}\times3x} &&\colorbox{Lavender}{先對齊$3x$}\\[4mm] =&\,\lim_{x\to0} \bigg\[\big(1+3x\big)^{\frac{1}{3x}} \bigg\]^{\frac{x}{\sin x}\times2\times3} &&\colorbox{Lavender}{再湊$\frac{\sin x}{x}$}\\[4mm] =&\,e^{1\cdot2\cdot3}=e^6 \end{align}
延伸題 2
x→0lim(1−sinx)ln(1+3x2)x
解
看見底是 (1+無窮小量)這種形式,
就想到往 x→0lim(1+x)x1去湊
===x→0lim(1−sinx)ln(1+3x2)xx→0lim((1−sinx)sinx1)sinx⋅ln(1+3x2)xx→0lim((1−sinx)sinx1)xsinx⋅ln(1+3x3)3x2⋅31(e−1)1⋅1⋅31=e−31
延伸題 3
解
x→0lim1−cosxxln(1+x)
透過觀察題目,不難聯想到這兩已知極限:
=x→0limx21−cosx=21x→0limxln(1+x)=1
所以
===x→0lim1−cosxxln(1+x)x→0lim1−cosxx⋅ln(1+x)x→0lim1−cosxx2⋅xln(1+x)2⋅1=2先拉開再湊
延伸題 4
x→0limx2ln(cosx)
解
乍看分子的 ln(cosx) 並不滿足我們比較熟悉的
ln(1+無窮小量) 這種形式,
但我們可以自己湊:
ln(cosx)=ln(1+(cosx−1))
這樣就有方向了,於是
==x→0limx2ln(cosx)x→0limcosx−1ln(1+(cosx−1))⋅x2cosx−11⋅(−21)=−21
延伸題 5
x→0lim(cosx)ln(1+x2)1
解
\begin{align} &\,\lim_{x\to0} \big(\cos x\big)^{\frac{1}{\ln(1+x^2)}}\\[4mm] =&\,\lim_{x\to0}\big(1+ (\cos x-1)\big)^{\frac{1}{\ln(1+x^2)}}\\[4mm] =&\,\lim_{x\to0} \bigg\[\big(1+ (\cos x-1)\big)^{\frac{1}{\cos x-1} }\bigg\]^{\frac{\cos x-1}{\ln(1+x^2)}}\\[4mm] =&\,\lim_{x\to0} \bigg\[\big(1+ (\cos x-1)\big)^{\frac{1}{\cos x-1} }\bigg\]^{\frac{\cos x-1}{x^2} \cdot\frac{x^2}{\ln(1+x^2)}}\\[4mm] =&\,e^{-\frac{1}{2}\cdot1}=e^{-\frac{1}{2}} \end{align}