📋 详细解题步骤
目标:判断命题(1)的真假
命题(1)为:若当$x \to 0$时,$\alpha(x) \sim \beta(x)$,则$\alpha^2(x) \sim \beta^2(x)$。
由等价无穷小的定义,若$\alpha \sim \beta$,则$\lim\limits_{x \to 0} \dfrac{\alpha}{\beta} = 1$。
考虑$\lim\limits_{x \to 0} \dfrac{\alpha^2}{\beta^2} = \lim\limits_{x \to 0} \left( \dfrac{\alpha}{\beta} \right)^2 = 1^2 = 1$。
因此,$\alpha^2 \sim \beta^2$,命题(1)正确。
公式:$$\lim_{x \to 0} \frac{\alpha^2}{\beta^2} = \left( \lim_{x \to 0} \frac{\alpha}{\beta} \right)^2 = 1^2 = 1$$
提示:直接利用等价无穷小定义和极限乘法法则即可判断。
目标:判断命题(2)的真假
命题(2)为:若当$x\to0$时,$\alpha(x)\sim\beta(x)$,则$\alpha^2(x)\sim\beta^2(x)$;反之,若$\alpha^2(x)\sim\beta^2(x)$,则$\alpha(x)\sim\beta(x)$。
我们判断后半部分“若$\alpha^2(x)\sim\beta^2(x)$,则$\alpha(x)\sim\beta(x)$”的真假。
考虑反例:取$\alpha(x)=x$,$\beta(x)=-x$,则当$x\to0$时,$\alpha^2(x)=x^2$,$\beta^2(x)=(-x)^2=x^2$,显然$\alpha^2(x)\sim\beta^2(x)$(因为$\lim\limits_{x\to0}\frac{x^2}{x^2}=1$)。
但$\frac{\alpha(x)}{\beta(x)}=\frac{x}{-x}=-1$,极限为$-1$,不等于$1$,因此$\alpha(x)$与$\beta(x)$不是等价无穷小。
所以,由$\alpha^2\sim\beta^2$不能推出$\alpha\sim\beta$,命题(2)的后半部分错误。
注意:命题(2)的前半部分“若$\alpha\sim\beta$,则$\alpha^2\sim\beta^2$”是正确的,因为若$\lim\frac{\alpha}{\beta}=1$,则$\lim\frac{\alpha^2}{\beta^2}=1^2=1$。但整体命题(2)要求双向成立,故命题(2)为假。
公式:$$\lim_{x\to0}\frac{\alpha^2(x)}{\beta^2(x)}=1\quad\text{但}\quad\lim_{x\to0}\frac{\alpha(x)}{\beta(x)}=-1\neq1$$
提示:构造反例时,考虑符号相反但绝对值相同的函数,如$x$与$-x$。
目标:判断命题(3)的真假
命题(3)为:若当$x\to a$时,$\alpha\sim\beta$,则$\alpha-\beta=o(\alpha)$。
由等价无穷小的定义,$\alpha\sim\beta$($x\to a$)意味着$\lim\limits_{x\to a}\frac{\alpha}{\beta}=1$。
考虑极限$\lim\limits_{x\to a}\frac{\alpha-\beta}{\alpha}$:
$$
\lim_{x\to a}\frac{\alpha-\beta}{\alpha}=\lim_{x\to a}\left(1-\frac{\beta}{\alpha}\right)=1-\lim_{x\to a}\frac{\beta}{\alpha}.
$$
由于$\lim\limits_{x\to a}\frac{\alpha}{\beta}=1$,且$\beta$在$a$的某去心邻域内不为零,则$\lim\limits_{x\to a}\frac{\beta}{\alpha}=1$(极限的倒数性质)。代入上式得:
$$
\lim_{x\to a}\frac{\alpha-\beta}{\alpha}=1-1=0.
$$
根据高阶无穷小的定义,若$\lim\limits_{x\to a}\frac{\alpha-\beta}{\alpha}=0$,则称$\alpha-\beta$是比$\alpha$高阶的无穷小,记作$\alpha-\beta=o(\alpha)$($x\to a$)。
因此命题(3)正确。
公式:$$\lim_{x\to a}\frac{\alpha-\beta}{\alpha}=1-\lim_{x\to a}\frac{\beta}{\alpha}=1-1=0$$
提示:利用等价无穷小定义转化为极限运算,再套用高阶无穷小定义即可。
目标:判断命题(4)的真假
命题(4)为:若$\alpha - \beta = o(\alpha)$,则$\alpha \sim \beta$。
首先,根据小$o$记号的定义,$\alpha - \beta = o(\alpha)$表示当自变量趋于某极限(如$x \to 0$或$x \to \infty$)时,$\frac{\alpha - \beta}{\alpha} \to 0$,即
$$
\lim \frac{\alpha - \beta}{\alpha} = 0.
$$
将极限式拆开:
$$
\lim \left(1 - \frac{\beta}{\alpha}\right) = 0.
$$
由极限的线性性质,可得
$$
1 - \lim \frac{\beta}{\alpha} = 0,
$$
即
$$
\lim \frac{\beta}{\alpha} = 1.
$$
根据等价无穷小的定义,若$\lim \frac{\beta}{\alpha} = 1$,则称$\alpha$与$\beta$是等价无穷小,记作$\alpha \sim \beta$。因此,命题(4)正确。
注意:这里要求$\alpha$在极限过程中不为零(否则分母无意义),但通常讨论无穷小量时默认$\alpha \neq 0$。
公式:$$\lim\frac{\alpha-\beta}{\alpha}=0 \Rightarrow 1-\lim\frac{\beta}{\alpha}=0 \Rightarrow \lim\frac{\beta}{\alpha}=1 \Rightarrow \alpha\sim\beta$$
提示:将小o关系转化为极限形式,再通过极限运算得到比值极限为1。
目标:综合得出正确选项
综合前四步的分析结果:命题(1)正确,命题(2)错误,命题(3)正确,命题(4)正确。因此,正确的命题为(1)(3)(4)。题目选项中,A选项对应(1)(2)(3),B选项对应(1)(3)(4),C选项对应(1)(3)(4),D选项对应(2)(3)(4)。注意:选项B和C的表述均为(1)(3)(4),但需核对原题选项编号。根据原题答案,正确选项为C,即(1)(3)(4)。验证:命题(1)由极限定义及保号性可得;命题(2)反例为$f(x)=x$,$g(x)=x$,$h(x)=x$,$x_0=0$,此时$f(x)$与$g(x)$均为无穷小,但$h(x)$不是无穷小;命题(3)由无穷小的比较性质可得;命题(4)由极限的线性性质可得。故最终选择C。
公式:\text{正确命题:}(1)(3)(4)
提示:注意反例构造,仔细核对选项编号与命题对应关系。