下列等式正确的是( )。A. lim _(x arrow 0) x sin (1)/(x) = 1B. lim _(x arrow 0) (x^2-1)/(3x^2)-x-1 = 1C. lim _(x arrow 0) (1+(1)/(x))^x = eD. lim _(x arrow 0) e^(1)/(x) = infty
下列等式正确的是( )。 A. $\lim _{x \rightarrow 0} x \sin \frac{1}{x} = 1$ B. $\lim _{x \rightarrow 0} \frac{x^{2}-1}{3x^{2}-x-1} = 1$ C. $\lim _{x \rightarrow 0} \left(1+\frac{1}{x}\right)^{x} = e$ D. $\lim _{x \rightarrow 0} e^{\frac{1}{x}} = \infty$
题目解答
答案
我们逐项分析每个选项的极限是否正确。
选项 A:
$\lim_{x \to 0} x \sin\frac{1}{x} = 1$
我们来分析这个极限。
首先,注意当 $ x \to 0 $ 时,$ \frac{1}{x} \to \infty $,所以 $ \sin\frac{1}{x} $ 在 $-1$ 和 $1$ 之间快速振荡,没有极限。
但是前面乘了一个 $ x \to 0 $。
我们可以使用夹逼定理:
因为 $ -1 \leq \sin\frac{1}{x} \leq 1 $,所以:
$-|x| \leq x \sin\frac{1}{x} \leq |x|$
当 $ x \to 0 $ 时,左右两边都趋于 0,因此由夹逼定理:
$\lim_{x \to 0} x \sin\frac{1}{x} = 0$
但选项 A 说极限是 1,错误。
选项 B:
$\lim_{x \to 0} \frac{x^2 - 1}{3x^2 - x - 1} = 1$
我们直接代入 $ x = 0 $ 看看:
分子:$ 0^2 - 1 = -1 $
分母:$ 3(0)^2 - 0 - 1 = -1 $
所以:
$\lim_{x \to 0} \frac{x^2 - 1}{3x^2 - x - 1} = \frac{-1}{-1} = 1$
这个极限可以直接代入,因为分母在 $ x = 0 $ 处不为 0,函数在 $ x=0 $ 附近连续。
所以这个极限确实等于 1。
选项 B 正确。
选项 C:
$\lim_{x \to 0} \left(1 + \frac{1}{x}\right)^x = e$
我们分析这个极限。
注意:这个极限是 $ x \to 0 $,但 $ \frac{1}{x} \to \infty $ 或 $ -\infty $,取决于从哪边趋近。
先考虑 $ x \to 0^+ $:
此时 $ \frac{1}{x} \to +\infty $,所以 $ 1 + \frac{1}{x} \to +\infty $,而指数 $ x \to 0^+ $。
我们考虑形如 $ \infty^0 $ 型的不定式。
取对数:
设 $ y = \left(1 + \frac{1}{x}\right)^x $,则
$\ln y = x \ln\left(1 + \frac{1}{x}\right) = x \ln\left(\frac{x+1}{x}\right) = x \left[\ln(x+1) - \ln x\right]$
当 $ x \to 0^+ $,$ \ln(x+1) \to \ln 1 = 0 $,$ \ln x \to -\infty $,所以 $ \ln y \approx x (0 - (-\infty)) = x \cdot \infty $,但 $ x \to 0 $,是 $ 0 \cdot \infty $ 型。
更精确地:
$\ln y = x \ln\left(1 + \frac{1}{x}\right) = x \ln\left(\frac{1+x}{x}\right) = x \left[ \ln(1+x) - \ln x \right]
= x \ln(1+x) - x \ln x$
当 $ x \to 0^+ $:
- $ x \ln(1+x) \to 0 \cdot 0 = 0 $
- $ x \ln x \to 0 $(这是一个标准极限:$ \lim_{x \to 0^+} x \ln x = 0 $)
所以 $ \ln y \to 0 - 0 = 0 $,因此 $ y \to e^0 = 1 $
即:
$\lim_{x \to 0^+} \left(1 + \frac{1}{x}\right)^x = 1$
再看 $ x \to 0^- $:
此时 $ x $ 为负数,$ \frac{1}{x} \to -\infty $,所以 $ 1 + \frac{1}{x} \to -\infty $,底数为负,且指数为趋近 0 的负数。
但负数的实数次幂可能无定义(例如 $ (-2)^{0.1} $ 在实数范围内不一定有定义),所以当 $ x \to 0^- $ 时,表达式 $ \left(1 + \frac{1}{x}\right)^x $ 在实数范围内不一定有定义,尤其当 $ x $ 为无理数或分母为偶数的分数时。
因此,左极限不存在(在实数范围内),所以整体极限 $ x \to 0 $ 不存在。
即使只考虑右极限,极限也是 1,不是 $ e $。
而 $ e $ 是:
$\lim_{x \to \infty} \left(1 + \frac{1}{x}\right)^x = e$
或
$\lim_{x \to 0} (1 + x)^{1/x} = e$
所以选项 C 把极限写错了方向。
选项 C 错误。
选项 D:
$\lim_{x \to 0} e^{1/x} = \infty$
我们分析这个极限。
注意:$ x \to 0 $ 时,$ \frac{1}{x} $ 的极限取决于方向。
- 当 $ x \to 0^+ $,$ \frac{1}{x} \to +\infty $,所以 $ e^{1/x} \to +\infty $
- 当 $ x \to 0^- $,$ \frac{1}{x} \to -\infty $,所以 $ e^{1/x} \to 0 $
左右极限不相等,且一个趋于无穷,一个趋于 0。
因此,整体极限 $ x \to 0 $ 不存在。
而选项 D 说极限是 $ \infty $,这只有在 $ x \to 0^+ $ 时才成立,但题目是 $ x \to 0 $(双侧极限),所以不成立。
选项 D 错误。
结论:
只有 选项 B 正确。
答案:
$\boxed{B}$
解析
本题考查极限的计算与性质,涉及多个常见极限类型的判断。解题核心在于:
- 选项A:利用夹逼定理判断乘积极限;
- 选项B:直接代入法验证分式极限;
- 选项C:注意极限方向对底数符号的影响;
- 选项D:区分单侧极限与双侧极限的存在性。
选项A分析
当 $x \to 0$ 时,$\sin \frac{1}{x}$ 在 $[-1,1]$ 间振荡无极限,但乘以 $x \to 0$ 后整体趋于0。
关键步骤:
- 夹逼定理:
$-|x| \leq x \sin \frac{1}{x} \leq |x|$
当 $x \to 0$ 时,两边均趋近于0,故原极限为0,选项A错误。
选项B分析
直接代入 $x=0$:
- 分子:$0^2 -1 = -1$
- 分母:$3 \cdot 0^2 -0 -1 = -1$
- 结果:$\frac{-1}{-1} = 1$,选项B正确。
选项C分析
当 $x \to 0^+$ 时,$\left(1+\frac{1}{x}\right)^x$ 取对数后化简得极限为1;
当 $x \to 0^-$ 时,底数可能为负数导致无定义。
关键结论:
- 双侧极限不存在,选项C错误。
选项D分析
- 右侧极限($x \to 0^+$):$e^{1/x} \to +\infty$
- 左侧极限($x \to 0^-$):$e^{1/x} \to 0$
关键结论: - 双侧极限不相等,选项D错误。