设函数 f(x) 在点 x=0 的某一邻域内可导,且 f(0)=0,f'(0)neq0,求 lim_(xto0)(int_(0)^x^(2)f(t)dt)/(x^2)int_(0^xf(t)dt)。
设函数 $f(x)$ 在点 $x=0$ 的某一邻域内可导,且 $f(0)=0$,$f'(0)\neq0$,求 $\lim_{x\to0}\frac{\int_{0}^{x^{2}}f(t)dt}{x^{2}\int_{0}^{x}f(t)dt}$。
题目解答
答案
我们要求极限:
$\lim_{x\to0}\frac{\int_{0}^{x^{2}}f(t)dt}{x^{2}\int_{0}^{x}f(t)dt}$
第一步:使用洛必达法则(L’Hospital’s Rule)
观察分子和分母在 $ x \to 0 $ 时都趋于 0:
- 分子:$\int_0^{x^2} f(t) dt \to \int_0^0 f(t) dt = 0$
- 分母:$x^2 \int_0^x f(t) dt \to 0 \cdot \int_0^0 f(t) dt = 0$
所以这是一个 $ \frac{0}{0} $ 型极限,可以使用洛必达法则。
第二步:对分子和分母分别求导
我们对分子和分母关于 $ x $ 求导:
分子求导:
$\frac{d}{dx} \int_0^{x^2} f(t) dt = f(x^2) \cdot \frac{d}{dx}(x^2) = 2x f(x^2)$
分母求导:
$\frac{d}{dx} \left( x^2 \int_0^x f(t) dt \right)$
使用乘积法则:
$= \frac{d}{dx}(x^2) \cdot \int_0^x f(t) dt + x^2 \cdot \frac{d}{dx} \int_0^x f(t) dt = 2x \int_0^x f(t) dt + x^2 f(x)$
第三步:代入洛必达法则
$\lim_{x \to 0} \frac{2x f(x^2)}{2x \int_0^x f(t) dt + x^2 f(x)}$
我们可以将分子和分母同时除以 $ x $(注意 $ x \ne 0 $):
$= \lim_{x \to 0} \frac{2 f(x^2)}{2 \int_0^x f(t) dt + x f(x)}$
第四步:代入 $ x \to 0 $
我们来分析每一项的极限:
- $ f(x^2) \to f(0) = 0 $
- $ \int_0^x f(t) dt \to 0 $
- $ x f(x) \to 0 \cdot f(0) = 0 $
所以分子和分母都趋于 0,仍然是 $ \frac{0}{0} $ 型,再次使用洛必达法则。
第五步:再次对分子和分母求导
分子:$ 2 f(x^2) $
导数为:
$2 \cdot f'(x^2) \cdot \frac{d}{dx}(x^2) = 4x f'(x^2)$
分母:$ 2 \int_0^x f(t) dt + x f(x) $
导数为:
$2 f(x) + f(x) + x f'(x) = 3 f(x) + x f'(x)$
第六步:再次代入极限
$\lim_{x \to 0} \frac{4x f'(x^2)}{3 f(x) + x f'(x)}$
将分子分母同时除以 $ x $:
$= \lim_{x \to 0} \frac{4 f'(x^2)}{3 \cdot \frac{f(x)}{x} + f'(x)}$
现在我们分析每一项的极限:
- $ f'(x^2) \to f'(0) $
- $ \frac{f(x)}{x} \to f'(0) $(因为 $ f(0) = 0 $,且 $ f $ 在 0 处可导)
所以极限变为:
$\frac{4 f'(0)}{3 f'(0) + f'(0)} = \frac{4 f'(0)}{4 f'(0)} = 1$
✅ 最终答案:
$\boxed{1}$
解析
考查要点:本题主要考查变上限积分求导、洛必达法则的应用,以及极限的计算。关键在于处理分子和分母中的积分表达式,并通过多次应用洛必达法则化简极限形式。
解题思路:
- 识别极限类型:当$x \to 0$时,分子和分母均趋近于$0$,属于$\frac{0}{0}$型不定式,可使用洛必达法则。
- 变上限积分求导:对分子和分母分别求导,注意积分上限含$x^2$和$x$的情况。
- 多次应用洛必达法则:第一次求导后仍为$\frac{0}{0}$型,需再次求导并化简,最终利用$f(0)=0$和$f'(0) \neq 0$的条件求解。
破题关键:
- 两次洛必达法则:第一次求导后仍需再次求导,需注意导数的计算准确性。
- 泰勒展开思想:利用$f(0)=0$和$f'(0) \neq 0$,将积分近似为导数形式简化计算。
步骤1:验证极限类型
当$x \to 0$时,分子$\int_0^{x^2} f(t)dt \to 0$,分母$x^2 \int_0^x f(t)dt \to 0$,属于$\frac{0}{0}$型,可用洛必达法则。
步骤2:第一次应用洛必达法则
- 分子求导:
$\frac{d}{dx} \int_0^{x^2} f(t)dt = f(x^2) \cdot 2x = 2x f(x^2)$ - 分母求导(乘积法则):
$\frac{d}{dx} \left( x^2 \int_0^x f(t)dt \right) = 2x \int_0^x f(t)dt + x^2 f(x)$ - 代入洛必达法则:
$\lim_{x \to 0} \frac{2x f(x^2)}{2x \int_0^x f(t)dt + x^2 f(x)}$
步骤3:化简表达式
分子分母同除以$x$($x \neq 0$):
$\lim_{x \to 0} \frac{2 f(x^2)}{2 \int_0^x f(t)dt + x f(x)}$
步骤4:再次验证极限类型
当$x \to 0$时,$f(x^2) \to f(0)=0$,$\int_0^x f(t)dt \to 0$,$x f(x) \to 0$,仍为$\frac{0}{0}$型,需再次应用洛必达法则。
步骤5:第二次应用洛必达法则
- 分子求导:
$\frac{d}{dx} [2 f(x^2)] = 2 \cdot f'(x^2) \cdot 2x = 4x f'(x^2)$ - 分母求导:
$\frac{d}{dx} \left( 2 \int_0^x f(t)dt + x f(x) \right) = 2 f(x) + f(x) + x f'(x) = 3 f(x) + x f'(x)$ - 代入洛必达法则:
$\lim_{x \to 0} \frac{4x f'(x^2)}{3 f(x) + x f'(x)}$
步骤6:代入极限值
当$x \to 0$时,$f(x) \approx f'(0) x$,$f'(x^2) \to f'(0)$,代入得:
$\lim_{x \to 0} \frac{4x f'(0)}{3 f'(0) x + x f'(0)} = \lim_{x \to 0} \frac{4 f'(0)}{4 f'(0)} = 1$