微积分学: 常用极限及其证明
Ⅰ
x→0limxex−1=1
定义域为 x∈(−∞,0)∪(0,+∞).
由高中知识得 ex−x−1≥0, 当且仅当 x=0 时取等. 所以 x>0 时 xex−1>1, x<0 时, xex−1∈(0,1).
因为研究 x→0, 所以不妨令 x∈(−1,0)∪(0,1), 因此 1−x>0:
e−x+x−1>0e−x>1−xex<1−x1ex−1<1−xx
xex−1<1−x1.
刚才已证 xex−1>1, 又显然 x→0lim1−x1=1, 因此由夹挤准则, 有 x→0+limxex−1=1.
xex−1>1−x1.
刚才已证 xex−1<1, 又显然 x→0lim1−x1=1, 因此由夹挤准则, 有 x→0−limxex−1=1.
综上, x→0limxex−1=1.
Ⅱ
x→∞lim(1+x1)x=e
因为负数的分数次幂是无定义的, 所以该函数的定义域为 (−∞,−1)∪(0,∞).
(1+x1)x=exln(1+x1)
要证 (1+x1)x 在 x→∞ 的极限为 e, 只需证 f(x)=xln(1+x1) 在 x→∞ 的极限为 1.
粗暴证明
令 t=1+x1, 因此即证 t−1lnt 在 t→1 时的极限为 1. 由洛必达法则:
t→1limt−1lnt=t→1lim(t′)t→1lim(ln′t)=11=1
因此:
x→∞limxln(1+x1)=t→1limt−1lnt=1x→∞lim(1+x1)x=ex→∞limxln(1+x1)=e
证毕, 接下来不用洛必达法则进行证明.
严谨证明
由 Ⅰ 得, t→0limtet−1=1, 同理 t→0limet−1t=1.
令 t=ln(1+x1), 因为 x→∞limt=0, 所以:
x→∞limxln(1+x1)=t→0limet−1t=1
所以 x→∞lim(1+x1)x=e.
证毕, 下证该函数其它性质.
单调性证明
f(x)=x(ln(1+x)−lnx)f′(x)=ln(1+x)−lnx+1+xx−1f′(x)=1+xx−ln(1+xx)−1
因为 x∈(−∞,−1)∪(0,∞), 所以 1+xx>0 且 1+xx=1, 结合高中知识, t>0 时, t−lnt−1≥0, 当且仅当 t=1 时取等.
因此 f′(x)>0, f(x) 的单增区间为 (−∞,−1),(0,∞).
极限存在且收敛
定理: 单调有界的函数收敛
已经证明了单调, 接下来只要证明函数有界, 则可以说明极限存在且收敛.
令 t=1+x1, 且 t=1,t>0, 因此 t−ln(t)−1>0, 即:
x1−ln(1+x1)≥0x1>ln(1+x1)
因为 1+x1>1, 所以 f(x)>0, 存在下界 0. 又因为 x>0, 因此将刚才的不等式两边同时乘 x:
x1>ln(1+x1)1>xln(1+x1)
因此存在上界 1.
因为 (−∞,−1) 是 f(x) 的单增区间, 因此只要有下界, 则 f(x) 在 x→−∞ 时就收敛.
刚才的不等式两边同时乘 x:
x1>ln(1+x1)1<xln(1+x1)
存在下界.
所以我们认为 f(x) 在 x→+∞ 和 x→−∞ 时都收敛.