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数学
题目

当 x arrow 0^+ 时,与 sqrt(x) 等价的无穷小量是 ( )(A) 1 - e^sqrt(x).(B) ln (1+x)/(1-sqrt(x)).(C) sqrt(1+sqrt(x)) - 1.(D) 1 - cos sqrt(x).

当 $x \rightarrow 0^+$ 时,与 $\sqrt{x}$ 等价的无穷小量是 ( ) (A) $1 - e^{\sqrt{x}}$. (B) $\ln \frac{1+x}{1-\sqrt{x}}$. (C) $\sqrt{1+\sqrt{x}} - 1$. (D) $1 - \cos \sqrt{x}$.

题目解答

答案

我们要求:当 $ x \to 0^+ $ 时,哪一个选项是与 $ \sqrt{x} $ 等价的无穷小量。

第一步:理解“等价无穷小”的定义

两个函数 $ f(x) $ 和 $ g(x) $ 在 $ x \to 0^+ $ 时是等价无穷小,意思是:

$\lim_{x \to 0^+} \frac{f(x)}{g(x)} = 1$

题目中给出的基准是 $ \sqrt{x} $,所以我们需要对每个选项 $ f(x) $,计算极限:

$\lim_{x \to 0^+} \frac{f(x)}{\sqrt{x}} \quad \stackrel{?}{=} 1$

如果等于 1,则该选项与 $ \sqrt{x} $ 等价。

选项 (A): $ 1 - e^{\sqrt{x}} $

我们分析:
$\lim_{x \to 0^+} \frac{1 - e^{\sqrt{x}}}{\sqrt{x}}$

注意:当 $ x \to 0^+ $,$ \sqrt{x} \to 0 $,令 $ t = \sqrt{x} \to 0^+ $,则极限变为:

$\lim_{t \to 0^+} \frac{1 - e^t}{t}$

我们知道 $ e^t = 1 + t + \frac{t^2}{2!} + \cdots $,所以:

$1 - e^t = -t - \frac{t^2}{2} - \cdots \Rightarrow \frac{1 - e^t}{t} = -1 - \frac{t}{2} - \cdots \to -1$

所以极限是 $ -1 $,不是 1。

虽然绝对值是 1,但等价无穷小要求极限为 1,而且 $ 1 - e^{\sqrt{x}} \to 0^- $,而 $ \sqrt{x} > 0 $,所以符号也不对。

排除 (A)

选项 (B): $ \ln \frac{1+x}{1 - \sqrt{x}} $

我们分析:
$\lim_{x \to 0^+} \frac{ \ln \frac{1+x}{1 - \sqrt{x}} }{ \sqrt{x} }$

先化简对数:
$\ln \frac{1+x}{1 - \sqrt{x}} = \ln(1+x) - \ln(1 - \sqrt{x})$

当 $ x \to 0^+ $,我们可以用泰勒展开:

  • $ \ln(1+x) = x - \frac{x^2}{2} + \cdots $
  • $ \ln(1 - \sqrt{x}) = -\sqrt{x} - \frac{(\sqrt{x})^2}{2} - \frac{(\sqrt{x})^3}{3} - \cdots = -\sqrt{x} - \frac{x}{2} - \frac{x^{3/2}}{3} - \cdots $

所以:
$\ln(1+x) - \ln(1 - \sqrt{x}) = \left( x - \cdots \right) - \left( -\sqrt{x} - \frac{x}{2} - \cdots \right) = \sqrt{x} + x + \frac{x}{2} + \cdots = \sqrt{x} + \frac{3x}{2} + \cdots$

因此:
$\frac{ \ln \frac{1+x}{1 - \sqrt{x}} }{ \sqrt{x} } = \frac{ \sqrt{x} + \frac{3x}{2} + \cdots }{ \sqrt{x} } = 1 + \frac{3}{2} \sqrt{x} + \cdots \to 1 \quad (x \to 0^+)$

所以极限为 1!

说明 (B) 与 $ \sqrt{x} $ 等价。

先保留 (B),继续验证其他选项。

选项 (C): $ \sqrt{1 + \sqrt{x}} - 1 $

分析:
$\lim_{x \to 0^+} \frac{ \sqrt{1 + \sqrt{x}} - 1 }{ \sqrt{x} }$

令 $ t = \sqrt{x} \to 0^+ $,则极限变为:

$\lim_{t \to 0^+} \frac{ \sqrt{1 + t} - 1 }{ t }$

使用泰勒展开:$ \sqrt{1 + t} = 1 + \frac{1}{2}t - \frac{1}{8}t^2 + \cdots $

所以:
$\frac{ \sqrt{1 + t} - 1 }{ t } = \frac{ \frac{1}{2}t - \frac{1}{8}t^2 + \cdots }{ t } = \frac{1}{2} - \frac{1}{8}t + \cdots \to \frac{1}{2}$

极限是 $ \frac{1}{2} $,不是 1。

所以 (C) 是与 $ \sqrt{x} $ 同阶但不等价的无穷小。

排除 (C)

选项 (D): $ 1 - \cos \sqrt{x} $

分析:
$\lim_{x \to 0^+} \frac{1 - \cos \sqrt{x}}{\sqrt{x}}$

令 $ t = \sqrt{x} \to 0^+ $,则:

$\lim_{t \to 0^+} \frac{1 - \cos t}{t}$

我们知道 $ 1 - \cos t \sim \frac{t^2}{2} $,所以:

$\frac{1 - \cos t}{t} \sim \frac{t^2/2}{t} = \frac{t}{2} \to 0$

极限为 0,说明 $ 1 - \cos \sqrt{x} $ 是比 $ \sqrt{x} $ 高阶的无穷小。

排除 (D)

结论:

只有选项 (B) 满足:
$\lim_{x \to 0^+} \frac{f(x)}{\sqrt{x}} = 1$

所以正确答案是:

$\boxed{\text{(B)}\ \ln \frac{1+x}{1 - \sqrt{x}}}$

解析

考查要点:本题考察等价无穷小的判断,需要掌握常见函数的泰勒展开及极限计算技巧。

解题核心思路:
对于每个选项,计算其与 $\sqrt{x}$ 的比值极限 $\lim_{x \to 0^+} \frac{f(x)}{\sqrt{x}}$,若极限为 $1$,则两者为等价无穷小。

破题关键点:

  1. 泰勒展开:对每个选项中的函数进行泰勒展开,保留低阶项,简化计算。
  2. 变量代换:如令 $t = \sqrt{x}$,将原极限转化为关于 $t$ 的极限,便于处理根号项。
  3. 符号与阶数:注意符号是否一致,以及无穷小的阶数是否相同。

选项 (A): $1 - e^{\sqrt{x}}$

令 $t = \sqrt{x} \to 0^+$,则:
$\lim_{t \to 0^+} \frac{1 - e^t}{t} = \lim_{t \to 0^+} \frac{-t - \frac{t^2}{2} - \cdots}{t} = -1 \neq 1$
结论:不等价。

选项 (B): $\ln \frac{1+x}{1 - \sqrt{x}}$

拆分对数并展开:
$\begin{aligned}\ln \frac{1+x}{1 - \sqrt{x}} &= \ln(1+x) - \ln(1 - \sqrt{x}) \\&= \left( x - \frac{x^2}{2} + \cdots \right) - \left( -\sqrt{x} - \frac{x}{2} - \cdots \right) \\&= \sqrt{x} + \frac{3x}{2} + \cdots\end{aligned}$
比值极限为:
$\lim_{x \to 0^+} \frac{\sqrt{x} + \frac{3x}{2} + \cdots}{\sqrt{x}} = 1$
结论:等价。

选项 (C): $\sqrt{1+\sqrt{x}} - 1$

令 $t = \sqrt{x} \to 0^+$,展开得:
$\sqrt{1+t} - 1 = \frac{1}{2}t - \frac{1}{8}t^2 + \cdots$
比值极限为:
$\lim_{t \to 0^+} \frac{\frac{1}{2}t - \cdots}{t} = \frac{1}{2} \neq 1$
结论:不等价。

选项 (D): $1 - \cos \sqrt{x}$

令 $t = \sqrt{x} \to 0^+$,展开得:
$1 - \cos t \sim \frac{t^2}{2}$
比值极限为:
$\lim_{t \to 0^+} \frac{\frac{t^2}{2}}{t} = \lim_{t \to 0^+} \frac{t}{2} = 0 \neq 1$
结论:不等价。

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