题目
[例3]求极限 lim _(narrow infty )(int )_(0)^1(x)^nsqrt (1+{x)^2}dx.

题目解答
答案

解析
考查要点:本题主要考查定积分的极限计算,涉及夹逼定理的应用,以及对积分中值定理适用条件的理解。
解题核心思路:
当$n \rightarrow \infty$时,被积函数$x^n$在区间$[0,1)$上迅速衰减为0,仅在$x=1$附近有显著贡献。但此处需结合$\sqrt{1+x^2}$的有界性,通过放缩法找到积分的上下界,进而利用夹逼定理求极限。
破题关键点:
- 观察被积函数的衰减特性:$x^n$随$n$增大在$[0,1)$趋近于0,仅在$x=1$附近有非零值。
- 利用$\sqrt{1+x^2}$的有界性:在$[0,1]$上,$\sqrt{1+x^2} \leq \sqrt{2}$,从而对积分进行放缩。
- 夹逼定理的应用:通过上下界趋近于0,确定原积分的极限。
步骤1:确定被积函数的上界
在区间$[0,1]$上,$\sqrt{1+x^2} \leq \sqrt{2}$,因此:
$\int_{0}^{1} x^n \sqrt{1+x^2} \, dx \leq \sqrt{2} \int_{0}^{1} x^n \, dx.$
步骤2:计算右侧积分
直接积分得:
$\int_{0}^{1} x^n \, dx = \frac{1}{n+1}.$
步骤3:建立不等式关系
结合上述结果,有:
$0 \leq \int_{0}^{1} x^n \sqrt{1+x^2} \, dx \leq \frac{\sqrt{2}}{n+1}.$
步骤4:应用夹逼定理
当$n \rightarrow \infty$时,右侧$\frac{\sqrt{2}}{n+1} \rightarrow 0$,而左侧始终非负,故:
$\lim_{n \rightarrow \infty} \int_{0}^{1} x^n \sqrt{1+x^2} \, dx = 0.$