(2) lim _(xarrow +infty )((dfrac {2)(pi )arctan x)}^x;

题目解答
答案

解析
考查要点:本题主要考查极限的计算,特别是处理形如$1^\infty$型不定式的常用方法——取对数化简,以及利用等价无穷小替换进行近似展开的能力。
解题核心思路:
当遇到$\lim_{x \to +\infty} f(x)^{g(x)}$且$f(x) \to 1$、$g(x) \to +\infty$时,通常通过以下步骤处理:
- 取自然对数,将原式转化为指数形式;
- 展开底数为$1 + \frac{a}{x} + o\left(\frac{1}{x}\right)$,利用$\ln(1+\varepsilon) \approx \varepsilon$(当$\varepsilon \to 0$);
- 计算指数部分的极限,最终结果为$e^{\text{该极限}}$。
破题关键点:
- 正确展开$\arctan x$在$x \to +\infty$时的近似式:$\arctan x \approx \dfrac{\pi}{2} - \dfrac{1}{x}$;
- 识别并应用等价无穷小替换:$\ln(1 - \varepsilon) \approx -\varepsilon$(当$\varepsilon \to 0$)。
设原式为$y = \left(\dfrac{2}{\pi} \arctan x\right)^x$,则:
$\ln y = x \cdot \ln\left(\dfrac{2}{\pi} \arctan x\right)$
步骤1:展开$\arctan x$的近似式
当$x \to +\infty$时,$\arctan x$的泰勒展开为:
$\arctan x = \dfrac{\pi}{2} - \dfrac{1}{x} + o\left(\dfrac{1}{x}\right)$
步骤2:代入并化简底数
将展开式代入底数:
$\dfrac{2}{\pi} \arctan x \approx \dfrac{2}{\pi} \left(\dfrac{\pi}{2} - \dfrac{1}{x}\right) = 1 - \dfrac{2}{\pi x}$
步骤3:应用自然对数的近似
对$\ln\left(1 - \dfrac{2}{\pi x}\right)$使用泰勒展开($\ln(1-\varepsilon) \approx -\varepsilon$):
$\ln\left(1 - \dfrac{2}{\pi x}\right) \approx -\dfrac{2}{\pi x}$
步骤4:计算$\ln y$的极限
将近似结果代入$\ln y$:
$\ln y \approx x \cdot \left(-\dfrac{2}{\pi x}\right) = -\dfrac{2}{\pi}$
步骤5:求原式的极限
因此,原式的极限为:
$\lim_{x \to +\infty} y = e^{-\dfrac{2}{\pi}}$