题目
注 类似地,可以求极限lim_(xto+infty)((1)/(x)cdot(a^x-1)/(a-1))^(1)/(x)(a>0,aneq1).
注 类似地,可以求极限
$\lim_{x\to+\infty}(\frac{1}{x}\cdot\frac{a^{x}-1}{a-1})^{\frac{1}{x}}(a>0,a\neq1).$
题目解答
答案
为了求极限 $\lim_{x\to+\infty}\left(\frac{1}{x}\cdot\frac{a^x-1}{a-1}\right)^{\frac{1}{x}}$,其中 $a > 0$ 且 $a \neq 1$,我们首先设 $L$ 为该极限的值。即,
\[ L = \lim_{x\to+\infty}\left(\frac{1}{x}\cdot\frac{a^x-1}{a-1}\right)^{\frac{1}{x}}. \]
为了简化表达式,我们对两边取自然对数:
\[ \ln L = \ln \left( \lim_{x\to+\infty}\left(\frac{1}{x}\cdot\frac{a^x-1}{a-1}\right)^{\frac{1}{x}} \right). \]
由于自然对数函数是连续的,我们可以将极限和对数交换:
\[ \ln L = \lim_{x\to+\infty} \ln \left( \left(\frac{1}{x}\cdot\frac{a^x-1}{a-1}\right)^{\frac{1}{x}} \right). \]
利用对数的性质 $\ln(x^y) = y \ln x$,我们得到:
\[ \ln L = \lim_{x\to+\infty} \frac{1}{x} \ln \left( \frac{1}{x}\cdot\frac{a^x-1}{a-1} \right). \]
接下来,我们利用对数的性质 $\ln(xy) = \ln x + \ln y$ 来进一步简化对数内的表达式:
\[ \ln L = \lim_{x\to+\infty} \frac{1}{x} \left( \ln \left( \frac{1}{x} \right) + \ln \left( \frac{a^x-1}{a-1} \right) \right). \]
这可以写为:
\[ \ln L = \lim_{x\to+\infty} \frac{1}{x} \left( -\ln x + \ln (a^x-1) - \ln (a-1) \right). \]
我们可以将这个极限分成三个独立的极限:
\[ \ln L = \lim_{x\to+\infty} \left( -\frac{\ln x}{x} \right) + \lim_{x\to+\infty} \frac{\ln (a^x-1)}{x} - \lim_{x\to+\infty} \frac{\ln (a-1)}{x}. \]
第一项 $\lim_{x\to+\infty} -\frac{\ln x}{x}$ 等于 0,因为 $\ln x$ 的增长速度远慢于 $x$。第三项 $\lim_{x\to+\infty} \frac{\ln (a-1)}{x}$ 也等于 0,因为 $\ln (a-1)$ 是一个常数。因此,我们有:
\[ \ln L = 0 + \lim_{x\to+\infty} \frac{\ln (a^x-1)}{x} - 0 = \lim_{x\to+\infty} \frac{\ln (a^x-1)}{x}. \]
为了求 $\lim_{x\to+\infty} \frac{\ln (a^x-1)}{x}$,我们可以使用洛必达法则,该法则指出如果极限 $\lim_{x\to+\infty} \frac{f(x)}{g(x)}$ 的形式为 $\frac{\infty}{\infty}$,那么它等于 $\lim_{x\to+\infty} \frac{f'(x)}{g'(x)}$。这里,$f(x) = \ln (a^x-1)$ 和 $g(x) = x$,所以:
\[ \lim_{x\to+\infty} \frac{\ln (a^x-1)}{x} = \lim_{x\to+\infty} \frac{\frac{d}{dx} \ln (a^x-1)}{\frac{d}{dx} x} = \lim_{x\to+\infty} \frac{\frac{a^x \ln a}{a^x-1}}{1} = \lim_{x\to+\infty} \frac{a^x \ln a}{a^x-1}. \]
当 $x \to +\infty$ 时,$a^x \to +\infty$,所以:
\[ \lim_{x\to+\infty} \frac{a^x \ln a}{a^x-1} = \lim_{x\to+\infty} \frac{\ln a}{1 - \frac{1}{a^x}} = \ln a. \]
因此,我们有:
\[ \ln L = \ln a. \]
对两边取指数,我们得到:
\[ L = a. \]
所以,极限是:
\[ \boxed{a}. \]