已知 lim_(x to +infty) ( 5x - sqrt(ax^2 - bx + c) ) = 2,求 a, b 之值.
已知 $\lim_{x \to +\infty} \left( 5x - \sqrt{ax^2 - bx + c} \right) = 2$,求 $a, b$ 之值.
题目解答
答案
我们已知:
$\lim_{x \to +\infty} \left( 5x - \sqrt{ax^2 - bx + c} \right) = 2$
要求 $ a $ 和 $ b $ 的值(注意:题目未要求 $ c $,所以 $ c $ 可能作为中间参数消去)。
第一步:分析极限形式
当 $ x \to +\infty $,表达式为 $ 5x - \sqrt{ax^2 - bx + c} $。
我们注意到,若 $ \sqrt{ax^2 - bx + c} $ 的增长速度与 $ 5x $ 相当,才可能使极限为有限值(这里是 2)。因此,根号内的二次项必须与 $ 5x $ 匹配。
即:
$\sqrt{ax^2 - bx + c} \sim \sqrt{a}x \quad (x \to \infty)$
所以:
$5x - \sqrt{a}x \to 2 \quad \text{(有限值)}$
这说明 $ 5 - \sqrt{a} = 0 $,否则极限会趋于无穷或负无穷。
第二步:确定 $ a $
由上述分析:
$\lim_{x \to \infty} (5x - \sqrt{a}x + \cdots) = (5 - \sqrt{a})x + \cdots$
若 $ 5 - \sqrt{a} \ne 0 $,极限为 $ \pm\infty $,但题目中极限为 2(有限),所以必须有:
$5 - \sqrt{a} = 0 \quad \Rightarrow \quad \sqrt{a} = 5 \quad \Rightarrow \quad a = 25$
第三步:代入 $ a = 25 $,化简极限
现在极限变为:
$\lim_{x \to +\infty} \left( 5x - \sqrt{25x^2 - bx + c} \right) = 2$
我们对这个表达式进行有理化处理。
令:
$L = \lim_{x \to +\infty} \left( 5x - \sqrt{25x^2 - bx + c} \right)$
乘以共轭式:
$L = \lim_{x \to +\infty} \frac{(5x - \sqrt{25x^2 - bx + c})(5x + \sqrt{25x^2 - bx + c})}{5x + \sqrt{25x^2 - bx + c}}$
分子是平方差:
$(5x)^2 - (25x^2 - bx + c) = 25x^2 - (25x^2 - bx + c) = bx - c$
分母是:
$5x + \sqrt{25x^2 - bx + c}$
所以:
$L = \lim_{x \to +\infty} \frac{bx - c}{5x + \sqrt{25x^2 - bx + c}} = 2$
第四步:化简分母
我们来分析分母:
$\sqrt{25x^2 - bx + c} = \sqrt{25x^2\left(1 - \frac{b}{25x} + \frac{c}{25x^2}\right)} = 5x \sqrt{1 - \frac{b}{25x} + \frac{c}{25x^2}}$
利用泰勒展开 $ \sqrt{1 + u} \approx 1 + \frac{u}{2} - \frac{u^2}{8} + \cdots $,当 $ u \to 0 $:
$\sqrt{1 - \frac{b}{25x} + \frac{c}{25x^2}} \approx 1 - \frac{b}{50x} + o\left(\frac{1}{x}\right)$
所以:
$\sqrt{25x^2 - bx + c} \approx 5x \left(1 - \frac{b}{50x} \right) = 5x - \frac{b}{10} + o(1)$
于是分母:
$5x + \sqrt{25x^2 - bx + c} \approx 5x + \left(5x - \frac{b}{10} \right) = 10x - \frac{b}{10} + o(1)$
分子:
$bx - c$
所以整体:
$\frac{bx - c}{10x - \frac{b}{10} + o(1)} \to \frac{b}{10} \quad \text{当 } x \to \infty$
因为分子分母都是一次式,极限为系数比:
$\lim_{x \to \infty} \frac{bx - c}{10x + o(x)} = \frac{b}{10}$
但题目说这个极限等于 2,所以:
$\frac{b}{10} = 2 \quad \Rightarrow \quad b = 20$
第五步:验证
我们得到:
- $ a = 25 $
- $ b = 20 $
现在验证极限是否为 2。
考虑:
$\lim_{x \to \infty} \left( 5x - \sqrt{25x^2 - 20x + c} \right)$
再次有理化:
$= \lim_{x \to \infty} \frac{25x^2 - (25x^2 - 20x + c)}{5x + \sqrt{25x^2 - 20x + c}} = \lim_{x \to \infty} \frac{20x - c}{5x + \sqrt{25x^2 - 20x + c}}$
分母:
$\sqrt{25x^2 - 20x + c} = 5x \sqrt{1 - \frac{4}{5x} + \frac{c}{25x^2}} \approx 5x \left(1 - \frac{2}{5x} \right) = 5x - 2 + o(1)$
所以分母:
$5x + (5x - 2) = 10x - 2 + o(1)$
分子:$ 20x - c $
所以:
$\frac{20x - c}{10x - 2} \to \frac{20}{10} = 2 \quad \text{当 } x \to \infty$
极限为 2,符合题意。注意常数项 $ c $ 不影响极限值(在分子是 $ -c $,分母是 $ -2 $,但高阶项主导),所以 $ c $ 可以是任意实数,不影响结果。
最终答案:
$\boxed{a = 25, \quad b = 20}$
解析
本题主要考查极限极限的计算以及对极限存在条件的分析。解题的关键思路是先根据极限为有限值确定$a$的值,再通过对极限表达式进行有理化化简,进而求出\b)的值。
- 确定$a$的值:
- 当$x \to +\infty$时,若要使$\lim_{x \to +\infty} (5x - \sqrt{ax^2 - bx + c})$为有限值$2$,则$\sqrt{5x}$与$\sqrt{ax^2 - bx + c}$的增长速度必须相当。
- 因为$\sqrt{ax^2 - bx + c} \sim \sqrt{a}x$($x \to \infty$),所以$5x - \sqrt{a}x \to 2$(有限值),所以$5 - \sqrt{a} = 0$。
- 解方程$5 - \sqrt{a} =0$,移项可得$\sqrt{a}=5$,两边同时平方得$a = 25$。
- 化简极限并确定$b$的值:
- 将$a = 25$代入原式,得到$\lim_{x \to +\infty} (5x - \sqrt{25x^2 - bx + c}) = 2$。
- 对该式进行有理化,分子分母同时乘以$5x + \sqrt{25x^2 - bx + c}$,根据平方差公式$(m - n)(m + n)=m^2 - n^2$,可得:
$\lim_{x \to +\infty} \frac{(5x - \sqrt{25x^2 - bx + c})(5x + \sqrt{25x^2 - bx + c})}{5x + \sqrt{25x^2 - bx + c}}=\lim_{x \to +\infty} \frac{25x^2-(25x^2 - bx + c)}{5x + \sqrt{25x^2 - bx + c}}=\lim_{x \to +\infty} \frac{bx - c}{5x + \sqrt{25x^2 - bx + c}}$ - 对分母$\sqrt{25x^2 - bx + c}$进行化简,$\sqrt{25x^2 - bx + c}=\sqrt{25x^2(1 - \frac{b}{25x} + \frac{c}{25x^2})}=5x\sqrt{1 - \frac{b}{25x} + \frac{c}{25x^2}}$。
- 当$x \to +\infty$时,利用泰勒展开$\sqrt{1 + u} \approx 1 + \frac{u}{2}$($u \to 0$),这里$u = -\frac{b}{25x} + \frac{c}{25x^2}}$,则$\sqrt{1 - \frac{b}{25x} + \frac{c}{25x^2}}\approx 1 - \frac{b}{50x}$,所以$\sqrt{25x^2 - bx + c}\approx 5x(1 - \frac{b}{50x}) = 5x - \frac{b}{10}$。
- 那么分母$5x + \sqrt{25x^2 - bx + c}\approx 5x + 5x - \frac{b}{10}=10x - \frac{b}{10}$。
- 此时极限$\lim_{x \to +\infty} \frac{bx - c}{10x - \frac{b}{10}}$,因为分子分母都是一次式,根据极限运算法则$\lim_{x \to \infty} \frac{mx + n}{px + q}=\frac{m}{p}$($p\neq0$),可得$\lim_{x \to +\infty} \frac{bx - c}{10x - \frac{b}{10}}=\frac{b}{10}$。
- 又因为已知极限值为$2$,所以$\frac{b}{10}=2$,解得$b = 20$。
- **验证:
- 将$a = 25$,$b = 20$代入原式$\lim_{x \to +\infty} (5x - \sqrt{25x^2 - 20x + c})$,再次有理化得$\lim_{x \to +\infty} \frac{25x^2-(25x^2 - 20x + c)}{5x + \sqrt{25x^2 - 20x + c}}=\lim_{x \to +\infty} \frac{20x - c}{5x + \sqrt{25x^2 - 20x + c}}$。
- 对分母$\sqrt{25x^2 - 20x + c}$化简,$\sqrt{25x^2 - 20x + c}=5x\sqrt{1 - \frac{4}{5x} + \frac{c}{25x^2}}\approx 5x(1 - \frac{2}{5x}) = 5x - 2$,分母$5x + \sqrt{25x^2 - 20x + c}\approx 5x + 5x - 2 = 10x - 2$。
- 则$\lim_{x \to +\infty} \frac{20x - c}{10x - 2}=\frac{20}{10}=2$,符合题意。