计算极限 lim _(xarrow 0)dfrac ({(1+x))^dfrac (2{x)}-(e)^2[ 1-ln (1+x)] }(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,涉及指数函数与对数函数的泰勒展开、等价无穷小替换以及极限运算技巧。
解题核心思路:
- 展开关键项:将分子中的$(1+x)^{\frac{2}{x}}$和$e^{2}[1-\ln(1+x)]$分别展开到足够阶数,确保相减后能消去低阶项,保留有效高阶项。
- 化简分子:通过展开后的表达式相减,得到分子的主部。
- 求极限:将化简后的分子除以$x$,取极限。
破题关键点:
- 指数函数展开:将$(1+x)^{\frac{2}{x}}$转化为$e^{2 \cdot \frac{\ln(1+x)}{x}}$,再利用泰勒展开展开到$x^2$项。
- 对数函数展开:对$\ln(1+x)$展开到$x^2$项,代入后与指数部分展开式相减。
- 保留有效项:通过展开消去低阶项,保留$x^2$项,最终除以$x$后得到关于$x$的一次项,从而求得极限。
步骤1:展开$(1+x)^{\frac{2}{x}}$
利用自然对数与指数函数的转换:
$(1+x)^{\frac{2}{x}} = e^{\frac{2}{x} \ln(1+x)}.$
展开$\ln(1+x)$到$x^2$项:
$\ln(1+x) = x - \frac{x^2}{2} + \frac{x^3}{3} - \cdots.$
代入后指数部分为:
$\frac{2}{x} \ln(1+x) = \frac{2}{x} \left( x - \frac{x^2}{2} + \cdots \right) = 2 - x + \cdots.$
进一步展开指数函数:
$e^{2 - x + \cdots} = e^2 \cdot e^{-x + \cdots} \approx e^2 \left( 1 - x + \frac{x^2}{2} + \cdots \right).$
因此:
$(1+x)^{\frac{2}{x}} \approx e^2 \left( 1 - x + \frac{7x^2}{6} \right).$
步骤2:展开$e^{2}[1-\ln(1+x)]$
展开$\ln(1+x)$到$x^2$项:
$1 - \ln(1+x) = 1 - \left( x - \frac{x^2}{2} + \cdots \right) = 1 - x + \frac{x^2}{2} + \cdots.$
乘以$e^2$后:
$e^2 \left( 1 - x + \frac{x^2}{2} \right).$
步骤3:计算分子并化简
分子为:
$(1+x)^{\frac{2}{x}} - e^2[1-\ln(1+x)] \approx e^2 \left( 1 - x + \frac{7x^2}{6} \right) - e^2 \left( 1 - x + \frac{x^2}{2} \right) = e^2 \cdot \frac{2x^2}{3}.$
分子除以$x$后:
$\frac{e^2 \cdot \frac{2x^2}{3}}{x} = \frac{2e^2 x}{3}.$
当$x \to 0$时,$\frac{2e^2 x}{3} \to 0$。