题目
.lim _(xarrow 1)((ln x))^x-1

题目解答
答案

解析
本题考查的是$0^0$型极限的求解,解题思路是先对原式取对数,将指数形式转化为乘积形式,再利用洛必达法则求解对数后的极限,最后根据对数函数的连续性求出原式的极限。
- 设$y = (\ln x)^{x - 1}$,两边同时取自然对数可得$\ln y=(x - 1)\ln(\ln x)$。
- 求$\lim\limits_{x\rightarrow 1}\ln y$,即$\lim\limits_{x\rightarrow 1}(x - 1)\ln(\ln x)$,此为$0\times\infty$型极限,将其变形为$\frac{\ln(\ln x)}{\frac{1}{x - 1}}$,此时为$\frac{\infty}{\infty}$型极限。
- 对$\frac{\ln(\ln x)}{\frac{1}{x - 1}}$使用洛必达法则,根据洛必达法则$\lim\limits_{x\rightarrow a}\frac{f(x)}{g(x)}=\lim\limits_{x\rightarrow a}\frac{f^\prime(x)}{g^\prime(x)}$(其中$f(x)=\ln(\ln x)$,$g(x)=\frac{1}{x - 1}$)。
- 先求$f^\prime(x)$:
根据复合函数求导法则$(f(g(x)))^\prime=f^\prime(g(x))\cdot g^\prime(x)$,令$u = \ln x$,则$f(u)=\ln u$,$f^\prime(u)=\frac{1}{u}$,$g^\prime(x)=\frac{1}{x}$,所以$f^\prime(x)=\frac{1}{\ln x}\cdot\frac{1}{x}=\frac{1}{x\ln x}$。 - 再求$g^\prime(x)$:
对$g(x)=\frac{1}{x - 1}=(x - 1)^{-1}$求导,根据求导公式$(x^n)^\prime=nx^{n - 1}$可得$g^\prime(x)=-(x - 1)^{-2}=-\frac{1}{(x - 1)^2}$。 - 则$\lim\limits_{x\rightarrow 1}\frac{\ln(\ln x)}{\frac{1}{x - 1}}=\lim\limits_{x\rightarrow 1}\frac{\frac{1}{x\ln x}}{-\frac{1}{(x - 1)^2}}=-\lim\limits_{x\rightarrow 1}\frac{(x - 1)^2}{x\ln x}$,此为$\frac{0}{0}$型极限,再次使用洛必达法则。
- 对$\frac{(x - 1)^2}{x\ln x}$使用洛必达法则,令$f_1(x)=(x - 1)^2$,$g_1(x)=x\ln x$。
求$f_1^\prime(x)$:根据求导公式$(x^n)^\prime=nx^{n - 1}$可得$f_1^\prime(x)=2(x - 1)$。
求$g_1^\prime(x)$:根据乘积求导法则$(uv)^\prime=u^\prime v+uv^\prime$,其中$u = x$,$v = \ln x$,$u^\prime = 1$,$v^\prime=\frac{1}{x}$,所以$g_1^\prime(x)=1\times\ln x+x\times\frac{1}{x}=\ln x + 1$。
则$-\lim\limits_{x\rightarrow 1}\frac{(x - 1)^2}{x\ln x}=-\lim\limits_{x\rightarrow 1}\frac{2(x - 1)}{\ln x + 1}$,将$x = 1$代入可得$-\frac{2\times(1 - 1)}{\ln 1 + 1}=0$,即$\lim\limits_{x\rightarrow 1}\ln y = 0$。
- 先求$f^\prime(x)$:
- 因为$y = e^{\ln y}$,根据指数函数的连续性$\lim\limits_{x\rightarrow 1}y=\lim\limits_{x\rightarrow 1}e^{\ln y}=e^{\lim\limits_{x\rightarrow 1}\ln y}$,将$\lim\limits_{x\rightarrow 1}\ln y = 0$代入可得$\lim\limits_{x\rightarrow 1}y = e^0 = 1$,即$\lim\limits_{x\rightarrow 1}(\ln x)^{x - 1}=1$。