【38】计算极限:lim_(xto0)((frac(1+cos x)/(2))^2x-1)(ln(1+2x^3)).
题目解答
答案
解析
考查要点:本题主要考查等价无穷小替换和泰勒展开的应用,以及处理复杂分式极限的化简技巧。
解题核心思路:
- 分子部分:将$\left(\frac{1+\cos x}{2}\right)^{2x}$展开为泰勒多项式,利用$(1+u)^a \approx 1 + a u$(当$u \to 0$且$a u$较小时)。
- 分母部分:直接应用等价无穷小$\ln(1+y) \sim y$(当$y \to 0$)。
- 整体化简:将分子和分母的高阶无穷小替换后,直接约分求极限。
破题关键点:
- 正确展开$\cos x$的泰勒多项式,并化简$\frac{1+\cos x}{2}$。
- 合理选择泰勒展开的阶数,确保近似后的表达式能准确反映极限行为。
- 注意指数函数的展开条件,确保$a u$的阶数足够小。
步骤1:展开$\cos x$并化简分子中的底数
当$x \to 0$时,$\cos x$的泰勒展开为:
$\cos x = 1 - \frac{x^2}{2} + o(x^2).$
代入$\frac{1+\cos x}{2}$得:
$\frac{1+\cos x}{2} = \frac{1 + \left(1 - \frac{x^2}{2}\right)}{2} = 1 - \frac{x^2}{4} + o(x^2).$
令$u = -\frac{x^2}{4}$,则底数可表示为$1 + u$。
步骤2:展开分子中的指数表达式
将$\left(1 + u\right)^{2x}$展开为泰勒多项式(保留一阶项):
$\left(1 + u\right)^{2x} \approx 1 + 2x \cdot u = 1 - \frac{x^3}{2} + o(x^3).$
因此,分子部分为:
$\left(1 + u\right)^{2x} - 1 \approx -\frac{x^3}{2} + o(x^3).$
步骤3:处理分母的对数表达式
当$x \to 0$时,应用等价无穷小$\ln(1+y) \sim y$($y = 2x^3$):
$\ln(1 + 2x^3) \sim 2x^3.$
步骤4:代入并化简极限表达式
将分子和分母的近似结果代入原式:
$\lim_{x \to 0} \frac{-\frac{x^3}{2} + o(x^3)}{2x^3} = \lim_{x \to 0} \frac{-\frac{1}{2}}{2} = -\frac{1}{4}.$