1.证明下列各式:(1)2x-x²=O(x)(x→0); (2)xsin√x=O(x^(3)/(2));(3)sqrt(1+x)-1=o(1)(x→0);(4)(1+x)^n=1+nx+o(x)(x→0)(n为正整数);
题目解答
答案
解析
本题主要考查大O符号($O$)和小o符号($o$)的定义及应用。大O符号用于描述函数在某一过程中的上界,小o符号用于描述函数在某一过程中的高阶无穷小。解题的关键在于根据相应的定义,通过求极限来判断函数之间的关系。
(1) 证明 $2x - x^2 = O(x)(x \to 0)$
根据大O符号的定义,若存在正常数 $C$ 和 $x_0$,使得当 $|x| < x_0$ 时,有 $|f(x)| \leq C|g(x)|$,则称 $f(x) = O(g(x))$。也可以通过求极限 $\lim_{x \to x_0} \frac{f(x)}{g(x)}$ 来判断,若该极限存在且为有限值,则 $f(x) = O(g(x))$。
计算极限:
$\begin{align*}\lim_{x \to 0} \frac{2x - x^2}{x} &= \lim_{x \to 0} \frac{x(2 - x)}{x}\\&= \lim_{x \to 0} (2 - x)\\&= 2\end{align*}$
因为极限值为有限值 $2$,所以 $2x - x^2 = O(x)(x \to 0)$。
(2) 证明 $x\sin\sqrt{x} = O(x^{\frac{3}{2}})$
同样根据大O符号的定义,求极限 $\lim_{x \to 0} \frac{x\sin\sqrt{x}}{x^{\frac{3}{2}}}$。
令 $y = \sqrt{x}$,当 $x \to 0$ 时,$y \to 0$,则:
$\begin{align*}\lim_{x \to 0} \frac{x\sin\sqrt{x}}{x^{\frac{3}{2}}} &= \lim_{y \to 0} \frac{y^2\sin y}{y^3}\\&= \lim_{y \to 0} \frac{\sin y}{y}\\&= 1\end{align*}$
因为极限值为有限值 $1$,所以 $x\sin\sqrt{x} = O(x^{\frac{3}{2}})$。
(3) 证明 $\sqrt{1 + x} - 1 = o(1)(x \to 0)$
根据小o符号的定义,若 $\lim_{x \to x_0} \frac{f(x)}{g(x)} = 0$,则称 $f(x) = o(g(x))$。这里 $g(x) = 1$,计算极限:
$\begin{align*}\lim_{x \to 0} (\sqrt{1 + x} - 1) &= \sqrt{1 + 0} - 1\\&= 0\end{align*}$
因为极限值为 $0$,所以 $\sqrt{1 + x} - 1 = o(1)(x \to 0)$。
(4) 证明 $(1 + x)^n = 1 + nx + o(x)(x \to 0)(n$ 为正整数$)$
方法一:利用泰勒展开式
根据二项式定理的泰勒展开式,$(1 + x)^n = 1 + nx + \frac{n(n - 1)}{2!}x^2 + \cdots + x^n$。
当 $x \to 0$ 时,$\frac{n(n - 1)}{2!}x^2 + \cdots + x^n$ 是比 $x$ 高阶的无穷小,即 $\frac{n(n - 1)}{2!}x^2 + \cdots + x^n = o(x)$,所以 $(1 + x)^n = 1 + nx + o(x)(x \to 0)$。
方法二:求极限
计算极限 $\lim_{x \to 0} \frac{(1 + x)^n - (1 + nx)}{x}$。
根据二项式定理展开 $(1 + x)^n = 1 + nx + \frac{n(n - 1)}{2!}x^2 + \cdots + x^n$,则:
$\begin{align*}\lim_{x \to 0} \frac{(1 + x)^n - (1 + nx)}{x} &= \lim_{x \to 0} \frac{1 + nx + \frac{n(n - 1)}{2!}x^2 + \cdots + x^n - (1 + nx)}{x}\\&= \lim_{x \to 0} (\frac{n(n - 1)}{2!}x + \cdots + x^{n - 1})\\&= 0\end{align*}$
因为极限值为 $0$,所以 $(1 + x)^n = 1 + nx + o(x)(x \to 0)$。