浙江大学 2023年强基第19题

强基计划真题

📝 题目

已知 $\displaystyle \lim _{x \rightarrow 0}\left|\frac{\ln \left(1+\sin ^{2} x\right)-6(\sqrt[3]{2-\cos x}-1)}{x^{4}}\right|=\frac{q}{p}$ ,且 $p, q$ 为互素的正整数,则 $p+q=$ $\_\_\_\_$。

💡 答案解析

19,解析:当 $x \rightarrow 0$ 时,考虑等价无穷小 $$ \begin{gathered} \ln \left(1+\sin ^{2} x\right)=\sin ^{2} x-\frac{1}{2} \sin ^{4} x+o\left(\sin ^{4} x\right)=\left(x-\frac{1}{6} x^{3}+o\left(x^{4}\right)\right)^{2}-\frac{1}{2}\left(x^{4}+o\left(x^{4}\right)\right)+o\left(x^{4}\right) \# \\ =x^{2}-\frac{5}{6} x^{4}+o\left(x^{4}\right) \\ \sqrt[3]{2-\cos x}-1=\sqrt[3]{1+2 \sin ^{2} \frac{x}{2}}-1=\frac{2}{3} \sin ^{2} \frac{x}{2}-\frac{4}{9} \sin ^{4} \frac{x}{2}=\frac{2}{3}\left(\frac{x}{2}-\frac{1}{6}\left(\frac{x}{2}\right)^{3}+o\left(x^{4}\right)\right)^{2}-\frac{4}{9}\left(\left(\frac{x}{2}\right)^{4}+o\left(x^{4}\right)\right) \\ =\frac{1}{6} x^{2}-\frac{1}{24} x^{4}+o\left(x^{4}\right) \end{gathered} $$ 故原式 $\displaystyle =\lim _{x \rightarrow 0}\left|\frac{\left(x^{2} \frac{5}{6} x^{4}+o\left(x^{4}\right)\right)-6\left(\frac{1}{6} x^{2} \frac{1}{24} x^{4}+o\left(x^{4}\right)\right)}{x^{4}}\right|=-\frac{7}{12}$ .因此 $p=12, q=7$ ,则 $p+q=19$ 。

📋 详细解题步骤

步骤 1/4
目标:展开ln(1+sin^2 x)到x^4项
使用等价无穷小:ln(1+u)~u-u^2/2,其中u=sin^2 x。sin x~x-x^3/6,代入得ln(1+sin^2 x)=x^2 - (5/6)x^4 + o(x^4)。
公式:ln(1+u)=u-\frac{u^2}{2}+o(u^2), \sin x=x-\frac{x^3}{6}+o(x^4)
提示:注意sin^4 x的展开需保留到x^4项。
步骤 2/4
目标:展开∛(2-cos x)-1到x^4项
利用2-cos x=1+2sin^2(x/2),则∛(1+v)-1~v/3 - v^2/9,其中v=2sin^2(x/2)。sin(x/2)~x/2 - x^3/48,代入得∛(2-cos x)-1=(1/6)x^2 - (1/72)x^4 + o(x^4)。
公式:\sqrt[3]{1+v}-1=\frac{v}{3}-\frac{v^2}{9}+o(v^2), \sin\frac{x}{2}=\frac{x}{2}-\frac{x^3}{48}+o(x^4)
提示:注意v=2sin^2(x/2)的展开,保留到x^4项。
步骤 3/4
目标:计算分子表达式
分子=ln(1+sin^2 x)-6(∛(2-cos x)-1)=[x^2-(5/6)x^4] - 6[(1/6)x^2-(1/72)x^4] + o(x^4)=x^2-(5/6)x^4 - x^2+(1/12)x^4 + o(x^4)=-(3/4)x^4 + o(x^4)。
公式:合并同类项
提示:注意x^2项抵消,得到x^4项系数。
步骤 4/4
目标:计算极限并化简
原极限=lim_{x→0} |-(3/4)x^4 + o(x^4)| / x^4 = 3/4。因此q/p=3/4,p=4,q=3,p+q=7。
公式:\lim_{x\to0}\frac{ax^4+o(x^4)}{x^4}=a
提示:绝对值不影响结果,因为系数为负。

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