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数学
题目

(13) lim _(xarrow 0)((dfrac {arctan x)(x))}^dfrac (1{{x)^2}}

题目解答

答案

解析

考查要点:本题主要考查极限的计算,特别是涉及指数函数与无穷小量的结合形式。需要掌握泰勒展开的应用以及重要极限公式的变形。

解题核心思路:
当遇到形如 $\left(1 + f(x)\right)^{g(x)}$ 的极限时,通常将其转化为自然指数形式,利用公式 $\lim_{x \to 0} (1 + f(x))^{g(x)} = e^{\lim_{x \to 0} f(x) \cdot g(x)}$。本题的关键在于将底数展开为泰勒多项式,提取出主要的无穷小项,再结合指数部分进行化简。

破题关键点:

  1. 泰勒展开:将 $\arctan x$ 在 $x=0$ 处展开,得到 $\arctan x = x - \dfrac{x^3}{3} + o(x^3)$。
  2. 变形底数:将 $\dfrac{\arctan x}{x}$ 写成 $1 + \left(-\dfrac{x^2}{3}\right) + o(x^2)$ 的形式。
  3. 应用重要极限:利用 $\lim_{x \to 0} \left(1 + a x^2\right)^{1/x^2} = e^a$ 求解。

步骤 1:取自然对数简化表达式
设原式为 $L$,则:
$\ln L = \lim_{x \to 0} \dfrac{1}{x^2} \cdot \ln \left( \dfrac{\arctan x}{x} \right)$

步骤 2:泰勒展开 $\arctan x$
$\arctan x$ 在 $x=0$ 处的展开式为:
$\arctan x = x - \dfrac{x^3}{3} + o(x^3)$
因此:
$\dfrac{\arctan x}{x} = 1 - \dfrac{x^2}{3} + o(x^2)$

步骤 3:展开对数函数
将底数变形为 $1 + \left(-\dfrac{x^2}{3}\right) + o(x^2)$,并利用 $\ln(1 + \epsilon) \approx \epsilon$(当 $\epsilon \to 0$):
$\ln \left(1 - \dfrac{x^2}{3} + o(x^2)\right) \approx -\dfrac{x^2}{3} + o(x^2)$

步骤 4:代入极限表达式
将上述结果代入 $\ln L$:
$\ln L = \lim_{x \to 0} \dfrac{1}{x^2} \left( -\dfrac{x^2}{3} + o(x^2) \right) = -\dfrac{1}{3}$

步骤 5:求原极限值
对 $\ln L$ 取指数得:
$L = e^{-1/3}$

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