2018年考研数学三第15题

解答题 · 10分

📝 题目

已知实数 $a, b$ 满足 $\displaystyle\lim _{x \rightarrow+\infty}\left[(a x+b) \mathrm{e}^{\displaystyle\frac{1}{x}}-x\right]=2$ ,求 $a, b$ .

💡 答案解析

**答案**: 见解析

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**解析**:

$\displaystyle\lim _{x \rightarrow+\infty}\left[(a x+b) \mathrm{e}^{\displaystyle\frac{1}{x}}-x\right]=\displaystyle\lim _{x \rightarrow+\infty} x\left(a \mathrm{e}^{\displaystyle\frac{1}{x}}-1\right)+\displaystyle\lim _{x \rightarrow+\infty} b \mathrm{e}^{\displaystyle\frac{1}{x}}=\displaystyle\lim _{x \rightarrow+\infty} x\left(a \mathrm{e}^{\displaystyle\frac{1}{x}}-1\right)+b$ ,因为极限存在,所以 $\displaystyle\lim _{x \rightarrow+\infty}\left(a \mathrm{e}^{\displaystyle\frac{1}{x}}-1\right)=0$ ,即 $a=1$ . 而 $\displaystyle\lim _{x \rightarrow+\infty} x\left(a \mathrm{e}^{\displaystyle\frac{1}{x}}-1\right)+b=\displaystyle\lim _{x \rightarrow+\infty} \displaystyle\frac{\mathrm{e}^{\displaystyle\frac{1}{x}}-1}{\displaystyle\frac{1}{x}}+b=1+b=2$ ,所以 $b=1$ .

📋 详细解题步骤

步骤 1/5
目标:拆分极限表达式
首先,我们分析原极限表达式: $$ \lim_{x\to+\infty} \left[ x\left(a e^{1/x}-1\right) + b e^{1/x} \right]. $$ 该表达式由两部分相加组成:第一部分是 $x\left(a e^{1/x}-1\right)$,第二部分是 $b e^{1/x}$。根据极限的加法法则,若两个极限分别存在,则和的极限等于极限的和。因此,我们可以将原极限拆分为两个极限之和: $$ \lim_{x\to+\infty} x\left(a e^{1/x}-1\right) + \lim_{x\to+\infty} b e^{1/x}. $$ 接下来,分别考察这两个极限。对于第二个极限 $\lim_{x\to+\infty} b e^{1/x}$,由于当 $x\to+\infty$ 时,$1/x \to 0$,而指数函数 $e^t$ 在 $t=0$ 处连续,所以 $\lim_{x\to+\infty} e^{1/x} = e^0 = 1$。因此, $$ \lim_{x\to+\infty} b e^{1/x} = b \cdot 1 = b. $$ 这样,原极限就转化为: $$ \lim_{x\to+\infty} x\left(a e^{1/x}-1\right) + b. $$ 注意,第一个极限 $\lim_{x\to+\infty} x\left(a e^{1/x}-1\right)$ 是 $\infty \cdot 0$ 型未定式,需要进一步处理。本步骤完成了极限的拆分,并将常数部分 $b$ 分离出来,为后续步骤中计算第一个极限做好准备。
公式:\lim_{x\to+\infty} \left[ x\left(a e^{1/x}-1\right) + b e^{1/x} \right] = \lim_{x\to+\infty} x\left(a e^{1/x}-1\right) + \lim_{x\to+\infty} b e^{1/x} = \lim_{x\to+\infty} x\left(a e^{1/x}-1\right) + b
提示:拆分极限时,先处理可直接求值的部分,简化表达式。
步骤 2/5
目标:利用极限存在性求a
已知极限 $\lim_{x\to+\infty} x(a e^{1/x}-1)$ 存在且有限。由于当 $x\to+\infty$ 时,$x\to+\infty$,若要使乘积 $x \cdot (a e^{1/x}-1)$ 的极限为有限值,则必须要求因子 $(a e^{1/x}-1)$ 趋于 $0$,否则乘积将趋于无穷大(正无穷或负无穷)。因此,我们有: $$ \lim_{x\to+\infty} (a e^{1/x}-1) = 0. $$ 计算该极限:当 $x\to+\infty$ 时,$\frac{1}{x}\to 0$,从而 $e^{1/x}\to e^0 = 1$。于是 $$ \lim_{x\to+\infty} (a e^{1/x}-1) = a \cdot 1 - 1 = a - 1. $$ 令其等于 $0$,得到 $a - 1 = 0$,解得 $a = 1$。 因此,参数 $a$ 的值为 $1$。
公式:\lim_{x\to+\infty} (a e^{1/x}-1)=0 \Rightarrow a=1
提示:乘积极限存在且有限时,若一个因子趋于无穷,则另一因子必须趋于0。
步骤 3/5
目标:代入a并化简极限
将上一步求得的 $a=1$ 代入原极限表达式,得到: $$ \lim_{x\to+\infty} \left[ x\left( e^{1/x} - 1 \right) + b \right]. $$ 此时极限式分为两部分:$x(e^{1/x}-1)$ 和常数 $b$。我们需要先计算 $\lim_{x\to+\infty} x(e^{1/x}-1)$。令 $t = \frac{1}{x}$,则当 $x\to+\infty$ 时,$t\to 0^+$,于是 $$ \lim_{x\to+\infty} x(e^{1/x}-1) = \lim_{t\to 0^+} \frac{e^t - 1}{t}. $$ 这是一个 $\frac{0}{0}$ 型极限,可以利用等价无穷小:当 $t\to 0$ 时,$e^t - 1 \sim t$,因此 $$ \lim_{t\to 0^+} \frac{e^t - 1}{t} = 1. $$ 或者使用洛必达法则:分子分母分别求导得 $\lim_{t\to 0^+} \frac{e^t}{1} = 1$。所以 $$ \lim_{x\to+\infty} x(e^{1/x}-1) = 1. $$ 因此原极限化为 $1 + b$。注意,这里 $b$ 是待定常数,需要根据极限存在的条件进一步确定。本步骤仅完成代入 $a=1$ 并化简极限的过程,得到极限值为 $1+b$。
公式:$$\lim_{x\to+\infty} x(e^{1/x}-1) = 1$$
提示:遇到 $x(e^{1/x}-1)$ 时,令 $t=1/x$ 转化为 $\frac{e^t-1}{t}$ 是常用技巧。
步骤 4/5
目标:使用等价无穷小替换
当 $x\to +\infty$ 时,$\frac{1}{x}\to 0$,因此 $e^{1/x}-1$ 是无穷小量。根据等价无穷小替换公式:当 $u\to 0$ 时,$e^u-1 \sim u$。令 $u=\frac{1}{x}$,则当 $x\to +\infty$ 时,$u\to 0$,故有 $e^{1/x}-1 \sim \frac{1}{x}$。 将这一等价关系代入原极限表达式 $\lim_{x\to +\infty} x(e^{1/x}-1)$ 中,得到: $$ \lim_{x\to +\infty} x(e^{1/x}-1) = \lim_{x\to +\infty} x \cdot \frac{1}{x} = \lim_{x\to +\infty} 1 = 1. $$ 因此,该极限值为 $1$。注意,等价无穷小替换只能在乘除运算中使用,此处 $x$ 与 $(e^{1/x}-1)$ 是乘积关系,满足替换条件。
公式:$$e^{1/x}-1 \sim \frac{1}{x} \quad (x\to +\infty)$$
提示:注意验证 $x\to +\infty$ 时 $1/x\to 0$,确保等价条件成立。
步骤 5/5
目标:解出b
我们已经得到方程 $1+b=2$。为了解出 $b$,将等式两边同时减去 $1$(移项),得到 $b=2-1$。计算得 $b=1$。因此,所求参数 $b$ 的值为 $1$。 **验证**:将 $b=1$ 代入原方程 $1+b=2$,左边 $1+1=2$,右边 $2$,等式成立,说明解正确。 至此,所有参数均已求出。
公式:$$1+b=2 \Rightarrow b=1$$
提示:移项要变号,减法计算要仔细。

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