方企勤 第二章 一元函数微分学 第23题

教材习题

📝 题目

例 23 由拉格朗日中值定理,对 $\forall x > - 1,\exists \theta \in \left( {0,1}\right)$ ,使得

$$ \ln \left( {1 + x}\right) = \ln \left( {1 + x}\right) - \ln \left( {1 + 0}\right) = \frac{x}{1 + {\theta x}}. $$

求证: $\displaystyle{\mathop{\lim }\limits_{{x \rightarrow 0}}\theta = \frac{1}{2}}$ .

💡 答案解析

证法 1 用带皮亚诺余项的泰勒公式, 得

$$ \ln \left( {1 + x}\right) = x - \frac{{x}^{2}}{2} + o\left( {x}^{2}\right) ,\;\frac{1}{1 + {\theta x}} = 1 - {\theta x} + o\left( x\right) . $$

于是

$$ \ln \left( {1 + x}\right) = \frac{x}{1 + {\theta x}} $$

$$ \Rightarrow x - \frac{{x}^{2}}{2} + o\left( {x}^{2}\right) = x - \theta {x}^{2} + o\left( {x}^{2}\right) \;\left( {x \rightarrow 0}\right) $$

$$ \Rightarrow \theta {x}^{2} = \frac{{x}^{2}}{2} + o\left( {x}^{2}\right) \;\left( {x \rightarrow 0}\right) , $$

$$ \theta = \frac{1}{2} + o\left( 1\right) \;\left( {x \rightarrow 0}\right) , $$

即得 $\displaystyle{\mathop{\lim }\limits_{{x \rightarrow 0}}\theta = \frac{1}{2}}$ .

证法 2 由 $\ln \left( {1 + x}\right) = \frac{x}{1 + {\theta x}}$ 解出 $\theta = \frac{x - \ln \left( {1 + x}\right) }{x\ln \left( {1 + x}\right) }$ . 由洛必达法则及 $\ln \left( {1 + x}\right) \sim x\left( {x \rightarrow 0}\right)$ ,得

$$ \mathop{\lim }\limits_{{x \rightarrow 0}}\theta = \mathop{\lim }\limits_{{x \rightarrow 0}}\frac{x - \ln \left( {1 + x}\right) }{x\ln \left( {1 + x}\right) } = \mathop{\lim }\limits_{{x \rightarrow 0}}\frac{x - \ln \left( {1 + x}\right) }{{x}^{2}} $$

$$ \overset{\text{ 洛必达法则 }}{ = }\frac{1 - {\left( 1 + x\right) }^{-1}}{2x} = \frac{1}{2}. $$

📋 详细解题步骤

步骤 1/6
目标:利用拉格朗日中值定理得到等式
由拉格朗日中值定理,对任意x>-1,存在θ∈(0,1)使得ln(1+x)=ln(1+x)-ln(1+0)=x/(1+θx)。
公式:ln(1+x) = x/(1+θx)
提示:注意θ依赖于x。
步骤 2/6
目标:证法1:使用泰勒展开
将ln(1+x)和1/(1+θx)展开为带皮亚诺余项的泰勒公式:ln(1+x)=x - x^2/2 + o(x^2),1/(1+θx)=1 - θx + o(x)。代入等式得x - x^2/2 + o(x^2) = x - θx^2 + o(x^2)。
公式:ln(1+x)=x - x^2/2 + o(x^2); 1/(1+θx)=1 - θx + o(x)
提示:注意o(x^2)和o(x)的阶数。
步骤 3/6
目标:比较系数得到θ的表达式
消去x项,比较x^2项系数得θx^2 = x^2/2 + o(x^2),即θ = 1/2 + o(1) (x→0)。
公式:θ = 1/2 + o(1)
提示:o(1)表示无穷小量。
步骤 4/6
目标:取极限得到结果
因此lim_{x→0} θ = 1/2。
公式:lim_{x→0} θ = 1/2
步骤 5/6
目标:证法2:解出θ的表达式
由ln(1+x)=x/(1+θx)解出θ = (x - ln(1+x))/(x ln(1+x))。
公式:θ = (x - ln(1+x))/(x ln(1+x))
提示:注意分母不为零。
步骤 6/6
目标:利用等价无穷小和洛必达法则求极限
由于x→0时ln(1+x)~x,所以lim θ = lim (x - ln(1+x))/(x^2)。应用洛必达法则:lim (1 - 1/(1+x))/(2x) = lim (x/(1+x))/(2x) = 1/2。
公式:lim_{x→0} (x - ln(1+x))/(x^2) = 1/2
提示:洛必达法则使用前需验证条件。

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