微积分学 常用极限及其证明

微积分学: 常用极限及其证明

limx0ex1x=1\lim_{x \to 0} \frac {e^x - 1}x = 1

定义域为 x(,0)(0,+)x \in (-\infin, 0) \cup (0, +\infin).

由高中知识得 exx10e^x - x - 1 \geq 0, 当且仅当 x=0x = 0 时取等. 所以 x>0x > 0ex1x>1\frac {e^x - 1}x > 1, x<0x < 0 时, ex1x(0,1)\frac {e^x - 1}x \in (0, 1).

因为研究 x0x \to 0, 所以不妨令 x(1,0)(0,1)x \in (-1, 0) \cup (0, 1), 因此 1x>01 - x > 0:

ex+x1>0ex>1xex<11xex1<x1xe^{-x} + x - 1 > 0\\ e^{-x} > 1 - x\\ e^x < \frac 1{1 - x}\\ e^x - 1 < \frac x{1 - x}\\

  • x>0x > 0

ex1x<11x\frac{e^x - 1}x < \frac 1{1 - x}.

刚才已证 ex1x>1\frac{e^x - 1}x > 1, 又显然 limx011x=1\displaystyle{\lim_{x \to 0} \frac 1{1 - x} = 1}, 因此由夹挤准则, 有 limx0+ex1x=1\displaystyle{\lim_{x \to 0_{+}} \frac {e^x - 1}x = 1}.

  • x<0x < 0

ex1x>11x\frac{e^x - 1}x > \frac 1{1 - x}.

刚才已证 ex1x<1\frac{e^x - 1}x < 1, 又显然 limx011x=1\displaystyle{\lim_{x \to 0} \frac 1{1 - x} = 1}, 因此由夹挤准则, 有 limx0ex1x=1\displaystyle{\lim_{x \to 0_{-}} \frac {e^x - 1}x = 1}.

综上, limx0ex1x=1\displaystyle{\lim_{x \to 0} \frac {e^x - 1}x = 1}.

limx(1+1x)x=e\lim_{x\to \infin}(1 + \frac 1x)^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,)(-\infin, -1)\cup(0, \infin).

(1+1x)x=exln(1+1x)(1 + \frac 1x)^x = e^{x\ln(1 + \frac 1x)}

要证 (1+1x)x(1 + \frac 1x)^xxx \to \infin 的极限为 ee, 只需证 f(x)=xln(1+1x)f(x) = x\ln(1 + \frac 1x)xx \to \infin 的极限为 11.

粗暴证明

t=1+1xt = 1 + \frac 1x, 因此即证 lntt1\frac{\ln t}{t - 1}t1t \to 1 时的极限为 11. 由洛必达法则:

limt1lntt1=limt1(lnt)limt1(t)=11=1\lim_{t \to 1}\frac{\ln t}{t - 1} = \frac {\displaystyle{\lim_{t \to 1}(\ln' t)}}{\displaystyle{\lim_{t \to 1}(t')}} = \frac 11= 1

因此:

limxxln(1+1x)=limt1lntt1=1limx(1+1x)x=elimxxln(1+1x)=e\lim_{x \to \infin} x\ln(1 + \frac 1x) = \lim_{t \to 1}\frac{\ln t}{t - 1} = 1\\ \lim_{x\to \infin}(1 + \frac 1x)^x = e^{\displaystyle{\lim_{x \to \infin} x\ln(1 + \frac 1x)}} = e

证毕, 接下来不用洛必达法则进行证明.

严谨证明

由 Ⅰ 得, limt0et1t=1\displaystyle{\lim_{t \to 0} \frac {e^t - 1}t = 1}, 同理 limt0tet1=1\displaystyle{\lim_{t \to 0} \frac t{e^t - 1} = 1}.

t=ln(1+1x)t = \ln(1 + \frac 1x), 因为 limxt=0\displaystyle{\lim_{x \to \infin} t = 0}, 所以:

limxxln(1+1x)=limt0tet1=1\lim_{x \to \infin} x\ln(1 + \frac 1x) = \lim_{t \to 0}\frac t{e^t - 1} = 1

所以 limx(1+1x)x=e\displaystyle{\lim_{x \to \infin}(1 + \frac 1x)^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+x1+x1f(x)=x1+xln(x1+x)1f(x) = x(\ln(1 + x) - \ln x)\\ f'(x) = \ln(1 + x) - \ln x + \frac x{1 + x} - 1\\ f'(x) = \frac x{1 + x} - \ln(\frac x{1 + x}) - 1

因为 x(,1)(0,)x \in (-\infin, -1)\cup(0, \infin), 所以 x1+x>0\frac x{1 + x} > 0x1+x1\frac x{1 + x} \neq 1, 结合高中知识, t>0t > 0 时, tlnt10t - \ln t - 1 \geq 0, 当且仅当 t=1t = 1 时取等.

因此 f(x)>0f'(x) > 0, f(x)f(x) 的单增区间为 (,1),(0,)(-\infin, -1), (0, \infin).

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.

t=1+1xt = 1 + \frac 1x, 且 t1,t>0t \neq 1, t > 0, 因此 tln(t)1>0t - \ln (t) - 1 > 0, 即:

1xln(1+1x)01x>ln(1+1x)\frac 1x - \ln (1 + \frac 1x) \geq 0\\ \frac 1x > \ln (1 + \frac 1x)\\

  • x>0x > 0 的情况

因为 1+1x>11 + \frac 1x > 1, 所以 f(x)>0f(x) > 0, 存在下界 00. 又因为 x>0x > 0, 因此将刚才的不等式两边同时乘 xx:

1x>ln(1+1x)1>xln(1+1x)\frac 1x > \ln (1 + \frac 1x)\\ 1 > x\ln (1 + \frac 1x)

因此存在上界 11.

  • x<1x < -1 的情况

因为 (,1)(-\infin, -1)f(x)f(x) 的单增区间, 因此只要有下界, 则 f(x)f(x)xx \to -\infin 时就收敛.

刚才的不等式两边同时乘 xx:

1x>ln(1+1x)1<xln(1+1x)\frac 1x > \ln (1 + \frac 1x)\\ 1 < x\ln (1 + \frac 1x)

存在下界.

所以我们认为 f(x)f(x)x+x \to +\infinxx \to -\infin 时都收敛.