lim _(x arrow infty) x^2(2-x sin (1)/(x)-cos (1)/(x))=____.
$\lim _{x \rightarrow \infty} x^{2}\left(2-x \sin \frac{1}{x}-\cos \frac{1}{x}\right)=\_\_\_\_.$
题目解答
答案
我们要求极限:
$\lim_{x \to \infty} x^2 \left(2 - x \sin \frac{1}{x} - \cos \frac{1}{x} \right)$
第一步:变量替换
令
$t = \frac{1}{x}$
当 $ x \to \infty $ 时,有 $ t \to 0^+ $。
于是 $ x = \frac{1}{t} $,代入原式:
$x^2 = \frac{1}{t^2},\quad x \sin\frac{1}{x} = \frac{1}{t} \sin t,\quad \cos\frac{1}{x} = \cos t$
原极限变为:
$\lim_{t \to 0^+} \frac{1}{t^2} \left(2 - \frac{1}{t} \sin t - \cos t \right) = \lim_{t \to 0^+} \frac{2 - \frac{\sin t}{t} - \cos t}{t^2}$
第二步:泰勒展开
我们对 $ \sin t $ 和 $ \cos t $ 在 $ t = 0 $ 处进行泰勒展开:
- $ \sin t = t - \frac{t^3}{6} + \frac{t^5}{120} - \cdots $
- $ \cos t = 1 - \frac{t^2}{2} + \frac{t^4}{24} - \cdots $
所以:
$\frac{\sin t}{t} = 1 - \frac{t^2}{6} + \frac{t^4}{120} - \cdots$
代入分子:
$2 - \frac{\sin t}{t} - \cos t = 2 - \left(1 - \frac{t^2}{6} + \cdots\right) - \left(1 - \frac{t^2}{2} + \cdots\right)$
计算:
$= 2 - 1 + \frac{t^2}{6} - 1 + \frac{t^2}{2} + \text{高阶项}
= (2 - 1 - 1) + \left(\frac{1}{6} + \frac{1}{2}\right)t^2 + o(t^2)
= 0 + \left(\frac{1}{6} + \frac{3}{6}\right)t^2 + o(t^2)
= \frac{2}{3}t^2 + o(t^2)$
所以整个表达式为:
$\frac{\frac{2}{3}t^2 + o(t^2)}{t^2} = \frac{2}{3} + o(1)$
当 $ t \to 0^+ $ 时,极限为:
$\frac{2}{3}$
最终答案:
$\boxed{\frac{2}{3}}$