📋 详细解题步骤
目标:变量代换化简积分
首先,我们面对的是积分 $\int_0^x t \sqrt{x-t} \, dt$,但根据题目给定的步骤目标,我们需要对积分 $\int_0^x \sqrt{x-t} \, e^{t} \, dt$ 进行变量代换。令 $u = x - t$,则 $t = x - u$,并且 $dt = -du$。当 $t = 0$ 时,$u = x$;当 $t = x$ 时,$u = 0$。因此积分变为:
$$
\int_{t=0}^{t=x} \sqrt{x-t} \, e^{t} \, dt = \int_{u=x}^{u=0} \sqrt{u} \, e^{x-u} \, (-du) = \int_{u=0}^{u=x} \sqrt{u} \, e^{x-u} \, du.
$$
这里我们交换了积分上下限,去掉了负号。接着,将 $e^{x-u}$ 拆分为 $e^x \cdot e^{-u}$,由于 $e^x$ 与积分变量 $u$ 无关,可以提到积分号外:
$$
\int_0^x \sqrt{u} \, e^{x-u} \, du = e^x \int_0^x \sqrt{u} \, e^{-u} \, du.
$$
这样,原积分被化简为 $e^x \int_0^x u^{1/2} e^{-u} \, du$,为后续步骤(如使用伽马函数或分部积分)奠定了基础。
公式:$$\int_0^x \sqrt{x-t} \, e^{t} \, dt = e^x \int_0^x \sqrt{u} \, e^{-u} \, du$$
提示:代换后注意积分限的变化,并利用指数性质分离常数因子。
目标:代入原极限并提取因子
原极限表达式为:
$$
\lim_{x \to 0^+} \frac{e^x \int_0^x \sqrt{u} e^{-u} \, du}{\sqrt{x^3}}.
$$
首先,将分子中的 $e^x$ 看作一个因子,可以将其从极限符号中分离出来,因为当 $x \to 0^+$ 时,$e^x \to 1$,且 $e^x$ 在 $x=0$ 处连续。于是有:
$$
\lim_{x \to 0^+} \frac{e^x \int_0^x \sqrt{u} e^{-u} \, du}{\sqrt{x^3}} = \left(\lim_{x \to 0^+} e^x\right) \cdot \lim_{x \to 0^+} \frac{\int_0^x \sqrt{u} e^{-u} \, du}{\sqrt{x^3}} = 1 \cdot \lim_{x \to 0^+} \frac{\int_0^x \sqrt{u} e^{-u} \, du}{\sqrt{x^3}}.
$$
因此,原极限简化为:
$$
\lim_{x \to 0^+} \frac{\int_0^x \sqrt{u} e^{-u} \, du}{x^{3/2}}.
$$
这里我们利用了 $\sqrt{x^3} = x^{3/2}$ 将分母写成幂函数形式,便于后续使用洛必达法则或等价无穷小分析。注意,此时极限形式为 $\frac{0}{0}$ 型(因为当 $x \to 0^+$ 时,积分上限趋于 $0$,积分值也趋于 $0$,分母 $x^{3/2} \to 0$),满足应用洛必达法则的条件。
提取因子 $e^x$ 并利用其极限为 $1$ 是简化计算的关键一步,它避免了在后续求导过程中处理乘积的复杂形式。
公式:$$
\lim_{x \to 0^+} \frac{e^x \int_0^x \sqrt{u} e^{-u} \, du}{\sqrt{x^3}} = \lim_{x \to 0^+} \frac{\int_0^x \sqrt{u} e^{-u} \, du}{x^{3/2}}
$$
提示:提取极限为1的因子可简化计算,注意检查是否为0/0型以便后续使用洛必达法则。
目标:应用洛必达法则
由于当$x \to 0^+$时,分子$\int_0^x \sqrt{t} e^{-t} \, dt$趋于0,分母$x^{3/2}$也趋于0,满足$\frac{0}{0}$型未定式,因此可以应用洛必达法则。对分子求导,由变上限积分求导公式得:$\frac{d}{dx} \int_0^x \sqrt{t} e^{-t} \, dt = \sqrt{x} e^{-x}$。对分母$x^{3/2}$求导得:$\frac{d}{dx} x^{3/2} = \frac{3}{2} x^{1/2}$。于是原极限化为:
$$\lim_{x \to 0^+} \frac{\sqrt{x} e^{-x}}{\frac{3}{2} x^{1/2}} = \lim_{x \to 0^+} \frac{e^{-x}}{\frac{3}{2}} = \frac{2}{3} \lim_{x \to 0^+} e^{-x}.$$
由于$e^{-x}$在$x=0$处连续,代入$x=0$得$e^0=1$,因此极限值为$\frac{2}{3}$。注意:在化简过程中,分子分母中的$x^{1/2}$约去,这是关键的一步。
公式:$$\lim_{x \to 0^+} \frac{\int_0^x \sqrt{t} e^{-t} \, dt}{x^{3/2}} = \lim_{x \to 0^+} \frac{\sqrt{x} e^{-x}}{\frac{3}{2} x^{1/2}} = \frac{2}{3}$$
提示:应用洛必达法则前务必确认分子分母是否同时趋于0或无穷,并正确使用变上限积分求导公式。
目标:化简并计算极限
在完成前面的等价无穷小替换和化简之后,我们得到极限表达式:
$$
\lim_{x \to 0^+} \frac{\sqrt{x} e^{-x}}{\frac{3}{2} \sqrt{x}}.
$$
首先,分子和分母中都含有因子 $\sqrt{x}$,且 $x \to 0^+$ 时 $\sqrt{x} \neq 0$,因此可以直接约去 $\sqrt{x}$:
$$
\frac{\sqrt{x} e^{-x}}{\frac{3}{2} \sqrt{x}} = \frac{e^{-x}}{\frac{3}{2}} = \frac{2}{3} e^{-x}.
$$
于是原极限化为:
$$
\lim_{x \to 0^+} \frac{2}{3} e^{-x}.
$$
由于 $e^{-x}$ 在 $x=0$ 处连续,且 $e^0 = 1$,所以直接代入得:
$$
\frac{2}{3} \cdot 1 = \frac{2}{3}.
$$
因此,所求极限的值为 $\frac{2}{3}$。
**最终答案验证**:
我们可以通过数值验证来确认结果的合理性。取 $x = 0.01$,原极限中的表达式(未化简前)近似为:
$$
\frac{\sqrt{0.01} e^{-0.01}}{\frac{3}{2} \sqrt{0.01}} = \frac{0.1 \times 0.99005}{1.5 \times 0.1} = \frac{0.099005}{0.15} \approx 0.66003,
$$
而 $\frac{2}{3} \approx 0.66667$,两者非常接近,且随着 $x$ 趋近于 $0$,数值会越来越接近 $\frac{2}{3}$,验证了计算结果的正确性。
公式:\lim_{x \to 0^+} \frac{\sqrt{x} e^{-x}}{\frac{3}{2} \sqrt{x}} = \lim_{x \to 0^+} \frac{2}{3} e^{-x} = \frac{2}{3}
提示:约分后直接代入连续函数求值,注意 $e^0=1$。