题目
[数二-18]设函数f(x)在x=0处连续,且lim_(xto0)(xf(x)-e^2sin x+1)/(ln(1+x)+ln(1-x))=-3,证明f(x)在x=0可导,并求f'(0)
[数二-18]设函数f(x)在x=0处连续,且
$\lim_{x\to0}\frac{xf(x)-e^{2\sin x}+1}{\ln(1+x)+\ln(1-x)}=-3$,证明f(x)在x=0可导,并求f'(0)
题目解答
答案
为了证明 $ f(x) $ 在 $ x=0 $ 处可导并求 $ f'(0) $,我们从给定的极限条件出发,逐步分析。
给定条件是:
\[
\lim_{x \to 0} \frac{xf(x) - e^{2\sin x} + 1}{\ln(1+x) + \ln(1-x)} = -3
\]
首先,我们简化分母。利用对数的性质,我们有:
\[
\ln(1+x) + \ln(1-x) = \ln[(1+x)(1-x)] = \ln(1-x^2)
\]
对于 $ x $ 接近 0 时,可以使用 $ \ln(1-x^2) $ 的泰勒展开:
\[
\ln(1-x^2) \approx -x^2
\]
因此,原极限可以近似为:
\[
\lim_{x \to 0} \frac{xf(x) - e^{2\sin x} + 1}{-x^2} = -3
\]
这可以重写为:
\[
\lim_{x \to 0} \frac{e^{2\sin x} - 1 - xf(x)}{x^2} = -3
\]
接下来,我们使用 $ e^{2\sin x} $ 的泰勒展开。对于 $ x $ 接近 0,有 $ \sin x \approx x $,所以:
\[
e^{2\sin x} \approx e^{2x} \approx 1 + 2x + 2x^2
\]
代入极限表达式,得到:
\[
\lim_{x \to 0} \frac{(1 + 2x + 2x^2) - 1 - xf(x)}{x^2} = -3
\]
简化分子:
\[
\lim_{x \to 0} \frac{2x + 2x^2 - xf(x)}{x^2} = -3
\]
将分子中的 $ x $ 提出来:
\[
\lim_{x \to 0} \frac{x(2 + 2x - f(x))}{x^2} = -3
\]
约去 $ x $:
\[
\lim_{x \to 0} \frac{2 + 2x - f(x)}{x} = -3
\]
重写为:
\[
\lim_{x \to 0} \left( \frac{2 - f(x)}{x} + 2 \right) = -3
\]
将 2 移到极限的右边:
\[
\lim_{x \to 0} \frac{2 - f(x)}{x} = -5
\]
重写为:
\[
\lim_{x \to 0} \frac{f(x) - 2}{x} = 5
\]
根据导数的定义, $ f'(0) $ 为:
\[
f'(0) = \lim_{x \to 0} \frac{f(x) - f(0)}{x}
\]
因此,我们得出 $ f(0) = 2 $ 且 $ f'(0) = 5 $。
最后, $ f(x) $ 在 $ x=0 $ 处可导,且 $ f'(0) $ 的值为:
\[
\boxed{5}
\]
解析
考查要点:本题主要考查极限的运算、泰勒展开的应用以及导数的定义。需要学生通过给定的极限条件,结合函数在一点连续的性质,推导出函数在该点的导数。
解题核心思路:
- 处理分母:利用对数性质将分母化简为$\ln(1-x^2)$,并用泰勒展开近似为$-x^2$。
- 展开分子:对$e^{2\sin x}$进行泰勒展开,保留到二次项,简化分子表达式。
- 极限变形:将原极限转化为关于$f(x)$的表达式,结合导数定义求解$f'(0)$。
破题关键点:
- 分子必须趋于0:由分母趋于0且极限存在,分子必须趋于0,从而确定$f(0)=2$。
- 导数定义:通过极限变形,将$\lim_{x\to0}\frac{f(x)-f(0)}{x}$与题目条件关联,直接得到$f'(0)$。
步骤1:化简分母
分母为$\ln(1+x)+\ln(1-x)=\ln(1-x^2)$。当$x\to0$时,$\ln(1-x^2)\approx -x^2$,因此原极限可近似为:
$\lim_{x\to0}\frac{xf(x)-e^{2\sin x}+1}{-x^2}=-3.$
步骤2:展开分子中的指数项
对$e^{2\sin x}$进行泰勒展开,保留到二次项:
$e^{2\sin x} \approx 1 + 2x + 2x^2.$
代入分子得:
$xf(x) - (1 + 2x + 2x^2) + 1 = x(f(x)-2) - 2x^2.$
步骤3:代入极限并变形
将分子和分母代入原极限:
$\lim_{x\to0}\frac{x(f(x)-2) - 2x^2}{-x^2} = -3.$
拆分分子并约分:
$\lim_{x\to0}\left( -\frac{f(x)-2}{x} + 2 \right) = -3.$
解得:
$\lim_{x\to0}\frac{f(x)-2}{x} = 5.$
步骤4:应用导数定义
由$f(x)$在$x=0$处连续,得$f(0)=2$。根据导数定义:
$f'(0) = \lim_{x\to0}\frac{f(x)-f(0)}{x} = 5.$