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数学
题目

(Ⅳ)lim_(xto0)((1+x)^frac(3)/(x)-e^3)(x);

(Ⅳ)$\lim_{x\to0}\frac{\left(1+x\right)^{\frac{3}{x}}-e^{3}}{x}$;

题目解答

答案

为了求解极限 $\lim_{x\to0}\frac{\left(1+x\right)^{\frac{3}{x}}-e^{3}}{x}$,我们首先需要对表达式 $(1+x)^{\frac{3}{x}}$ 进行处理。可以使用自然对数和指数函数的性质来简化它。 设 $y = (1+x)^{\frac{3}{x}}$,则取自然对数得: \[ \ln y = \frac{3}{x} \ln (1+x). \] 当 $x \to 0$ 时,$\ln (1+x) \approx x - \frac{x^2}{2} + O(x^3)$。代入上式,我们得到: \[ \ln y \approx \frac{3}{x} \left(x - \frac{x^2}{2} + O(x^3)\right) = 3 - \frac{3x}{2} + O(x^2). \] 因此, \[ y \approx e^{3 - \frac{3x}{2} + O(x^2)} = e^3 e^{-\frac{3x}{2} + O(x^2)}. \] 由于 $e^{-\frac{3x}{2} + O(x^2)} \approx 1 - \frac{3x}{2} + O(x^2)$,我们有: \[ y \approx e^3 \left(1 - \frac{3x}{2} + O(x^2)\right) = e^3 - \frac{3e^3 x}{2} + O(x^2). \] 现在,将 $y$ 代回原极限表达式,得到: \[ \lim_{x\to0}\frac{\left(1+x\right)^{\frac{3}{x}}-e^{3}}{x} = \lim_{x\to0}\frac{e^3 - \frac{3e^3 x}{2} + O(x^2) - e^3}{x} = \lim_{x\to0}\frac{-\frac{3e^3 x}{2} + O(x^2)}{x} = \lim_{x\to0}\left(-\frac{3e^3}{2} + O(x)\right) = -\frac{3e^3}{2}. \] Thus, the answer is: \[ \boxed{-\frac{3e^3}{2}}. \]

解析

考查要点:本题主要考查极限的计算,特别是涉及指数函数的泰勒展开和等价无穷小替换的应用。
解题思路:

  1. 核心思路:将复杂表达式$(1+x)^{\frac{3}{x}}$通过取对数转化为指数形式,利用泰勒展开展开到足够阶数,从而简化原式。
  2. 关键步骤:
    • 对数转换:设$y = (1+x)^{\frac{3}{x}}$,取自然对数后展开$\ln(1+x)$。
    • 指数展开:将展开后的对数结果代入指数函数,利用泰勒展开展开$e^{\text{表达式}}$。
    • 化简分子:通过展开后的表达式,提取分子中的低阶项,消去常数项,最终求出极限。

步骤1:对数转换与展开

设$y = (1+x)^{\frac{3}{x}}$,取自然对数得:
$\ln y = \frac{3}{x} \ln(1+x).$
当$x \to 0$时,$\ln(1+x)$的泰勒展开为:
$\ln(1+x) = x - \frac{x^2}{2} + O(x^3).$
代入得:
$\ln y \approx \frac{3}{x} \left(x - \frac{x^2}{2} + O(x^3)\right) = 3 - \frac{3x}{2} + O(x^2).$

步骤2:指数展开

将$\ln y$代入指数函数:
$y = e^{\ln y} \approx e^{3 - \frac{3x}{2} + O(x^2)}.$
利用泰勒展开展开$e^{-\frac{3x}{2} + O(x^2)}$:
$e^{-\frac{3x}{2} + O(x^2)} \approx 1 - \frac{3x}{2} + O(x^2).$
因此:
$y \approx e^3 \left(1 - \frac{3x}{2} + O(x^2)\right) = e^3 - \frac{3e^3 x}{2} + O(x^2).$

步骤3:代入原式求极限

将$y$代入原式:
$\begin{aligned}\lim_{x\to0}\frac{\left(1+x\right)^{\frac{3}{x}}-e^{3}}{x} &= \lim_{x\to0}\frac{e^3 - \frac{3e^3 x}{2} + O(x^2) - e^3}{x} \\&= \lim_{x\to0}\frac{-\frac{3e^3 x}{2} + O(x^2)}{x} \\&= \lim_{x\to0}\left(-\frac{3e^3}{2} + O(x)\right) \\&= -\frac{3e^3}{2}.\end{aligned}$

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