设 alpha_(1)=x(cos sqrt(x)-1), alpha_(2)=sqrt(x) ln (1+sqrt[3](x)), alpha_(3)=sqrt[3](x+1)-1, 当 x arrow 0^+ 时, 以上三个无穷小量按照从低阶到高阶的排序是 ( ).(A) alpha_(1), alpha_(2), alpha_(3);(B) alpha_(2), alpha_(3), alpha_(1);(C) alpha_(2), alpha_(1), alpha_(3);(D) alpha_(3), alpha_(2), alpha_(1).
设 $\alpha_{1}=x(\cos \sqrt{x}-1)$, $\alpha_{2}=\sqrt{x} \ln \left(1+\sqrt[3]{x}\right)$, $\alpha_{3}=\sqrt[3]{x+1}-1$, 当 $x \rightarrow 0^{+}$ 时, 以上三个无穷小量按照从低阶到高阶的排序是 ( ). (A) $\alpha_{1}, \alpha_{2}, \alpha_{3}$; (B) $\alpha_{2}, \alpha_{3}, \alpha_{1}$; (C) $\alpha_{2}, \alpha_{1}, \alpha_{3}$; (D) $\alpha_{3}, \alpha_{2}, \alpha_{1}$.
题目解答
答案
我们来分析题目中给出的三个无穷小量 $\alpha_1, \alpha_2, \alpha_3$,当 $x \to 0^+$ 时的阶数,目的是比较它们趋近于 0 的“速度”,并按照从低阶到高阶(即从趋近慢到趋近快)排序。
第一步:理解“阶”的含义
当 $x \to 0^+$ 时,若一个函数 $\alpha(x) \sim C x^p$(其中 $C \ne 0$),则称 $\alpha(x)$ 是 $x^p$ 阶的无穷小。
阶数 $p$ 越小,趋近于 0 越慢,是低阶无穷小;
阶数 $p$ 越大,趋近于 0 越快,是高阶无穷小。
所以我们需要分别对 $\alpha_1, \alpha_2, \alpha_3$ 进行泰勒展开或等价无穷小替换,找出它们的主部(即主导项)的阶数。
第二步:分析 $\alpha_1 = x(\cos \sqrt{x} - 1)$
令 $t = \sqrt{x}$,则当 $x \to 0^+$ 时,$t \to 0^+$,且 $x = t^2$。
代入得:
$\alpha_1 = t^2 (\cos t - 1)$
利用泰勒展开:
$\cos t = 1 - \frac{t^2}{2!} + \frac{t^4}{4!} - \cdots
\Rightarrow \cos t - 1 = -\frac{t^2}{2} + \frac{t^4}{24} - \cdots$
所以:
$\alpha_1 = t^2 \left( -\frac{t^2}{2} + o(t^4) \right) = -\frac{t^4}{2} + o(t^4) = -\frac{1}{2} x^2 + o(x^2)$
因此,$\alpha_1 \sim -\frac{1}{2} x^2$,是 $x^2$ 阶无穷小。
第三步:分析 $\alpha_2 = \sqrt{x} \ln(1 + \sqrt[3]{x})$
令 $x \to 0^+$,则 $\sqrt[3]{x} = x^{1/3} \to 0$,所以可以用 $\ln(1+u) \sim u$ 当 $u \to 0$。
所以:
$\ln(1 + x^{1/3}) \sim x^{1/3} \quad (x \to 0^+)$
因此:
$\alpha_2 \sim \sqrt{x} \cdot x^{1/3} = x^{1/2} \cdot x^{1/3} = x^{1/2 + 1/3} = x^{5/6}$
所以 $\alpha_2$ 是 $x^{5/6}$ 阶无穷小。
第四步:分析 $\alpha_3 = \sqrt[3]{x+1} - 1$
这是一个标准形式,可以利用泰勒展开或等价无穷小。
令 $f(x) = (1 + x)^{1/3}$,在 $x=0$ 处展开:
$(1 + x)^{1/3} = 1 + \frac{1}{3}x - \frac{1}{9}x^2 + \cdots$
所以:
$\alpha_3 = (1 + x)^{1/3} - 1 \sim \frac{1}{3}x \quad (x \to 0)$
因此,$\alpha_3 \sim \frac{1}{3}x$,是 $x^1$ 阶无穷小。
第五步:比较三个无穷小的阶数
我们现在有:
- $\alpha_1 \sim C_1 x^2$:阶数为 2
- $\alpha_2 \sim C_2 x^{5/6}$:阶数为 $5/6 \approx 0.833$
- $\alpha_3 \sim C_3 x^1$:阶数为 1
注意:阶数越低,趋近于 0 越慢,是低阶无穷小。
所以按阶数从小到大排序(即从低阶到高阶):
$\text{阶数 } \frac{5}{6} < 1 < 2 \Rightarrow \alpha_2\ (\text{最低阶}),\ \alpha_3,\ \alpha_1\ (\text{最高阶})$
所以顺序是:$\alpha_2,\ \alpha_3,\ \alpha_1$
第六步:选择答案
选项中:
- (A) $\alpha_1, \alpha_2, \alpha_3$
- (B) $\alpha_2, \alpha_3, \alpha_1$ ✅
- (C) $\alpha_2, \alpha_1, \alpha_3$
- (D) $\alpha_3, \alpha_2, \alpha_1$
正确答案是 (B)
✅ 最终答案:
$\boxed{\text{(B) } \alpha_2, \alpha_3, \alpha_1}$
解析
本题考查无穷小量阶的比较,核心思路是通过泰勒展开或等价无穷小替换,找到每个表达式的主部(最高阶项),进而比较阶数。关键点在于:
- 阶数定义:若 $\alpha(x) \sim C x^p$,则阶数为 $p$,阶数越小趋近于0越慢(低阶),阶数越大趋近于0越快(高阶)。
- 变量代换:如 $\alpha_1$ 中令 $t = \sqrt{x}$,简化展开过程。
- 等价无穷小替换:如 $\ln(1+u) \sim u$($u \to 0$)。
$\alpha_1 = x(\cos \sqrt{x} - 1)$
- 变量代换:令 $t = \sqrt{x}$,则 $x = t^2$,当 $x \to 0^+$ 时,$t \to 0^+$。
- 泰勒展开:$\cos t = 1 - \frac{t^2}{2} + o(t^2)$,故 $\cos t - 1 = -\frac{t^2}{2} + o(t^2)$。
- 化简:$\alpha_1 = t^2 \left(-\frac{t^2}{2}\right) + o(t^4) = -\frac{1}{2}x^2 + o(x^2)$,阶数为2。
$\alpha_2 = \sqrt{x} \ln\left(1+\sqrt[3]{x}\right)$
- 等价无穷小替换:当 $x \to 0^+$ 时,$\sqrt[3]{x} \to 0$,故 $\ln(1+\sqrt[3]{x}) \sim \sqrt[3]{x}$。
- 化简:$\alpha_2 \sim \sqrt{x} \cdot \sqrt[3]{x} = x^{1/2 + 1/3} = x^{5/6}$,阶数为 $\frac{5}{6}$。
$\alpha_3 = \sqrt[3]{x+1} - 1$
- 泰勒展开:$(1+x)^{1/3} = 1 + \frac{1}{3}x - \frac{1}{9}x^2 + o(x^2)$。
- 化简:$\alpha_3 = \frac{1}{3}x + o(x)$,阶数为1。
阶数比较
- $\alpha_2$ 阶数 $\frac{5}{6}$ 最小(低阶)
- $\alpha_3$ 阶数 $1$ 中间
- $\alpha_1$ 阶数 $2$ 最大(高阶)