题目
14.计算lim_(xto+infty)[(x^x+1)/((1+x)^x)-(x)/(e)].
14.计算$\lim_{x\to+\infty}\left[\frac{x^{x+1}}{\left(1+x\right)^x}-\frac{x}{e}\right].$
题目解答
答案
为了计算极限 $\lim_{x\to+\infty}\left[\frac{x^{x+1}}{(1+x)^x}-\frac{x}{e}\right]$,我们首先需要简化表达式 $\frac{x^{x+1}}{(1+x)^x}$。我们可以将这个表达式重写为:
\[
\frac{x^{x+1}}{(1+x)^x} = x \cdot \frac{x^x}{(1+x)^x} = x \left(\frac{x}{1+x}\right)^x.
\]
接下来,我们需要分析 $\left(\frac{x}{1+x}\right)^x$ 当 $x \to +\infty$ 时的行为。注意到:
\[
\frac{x}{1+x} = \frac{1}{\frac{1}{x}+1}.
\]
因此,
\[
\left(\frac{x}{1+x}\right)^x = \left(\frac{1}{\frac{1}{x}+1}\right)^x = \frac{1}{\left(1+\frac{1}{x}\right)^x}.
\]
我们知道,当 $x \to +\infty$ 时,$\left(1+\frac{1}{x}\right)^x \to e$。因此,
\[
\left(\frac{x}{1+x}\right)^x \to \frac{1}{e}.
\]
这意味着:
\[
x \left(\frac{x}{1+x}\right)^x \to x \cdot \frac{1}{e} = \frac{x}{e}.
\]
所以,原极限可以重写为:
\[
\lim_{x\to+\infty}\left[\frac{x^{x+1}}{(1+x)^x} - \frac{x}{e}\right] = \lim_{x\to+\infty}\left[x \left(\frac{x}{1+x}\right)^x - \frac{x}{e}\right].
\]
为了进一步简化,我们设 $y = \left(\frac{x}{1+x}\right)^x$。则 $y \to \frac{1}{e}$ 当 $x \to +\infty$。我们可以将极限重写为:
\[
\lim_{x\to+\infty} x \left(y - \frac{1}{e}\right).
\]
我们需要找到 $y - \frac{1}{e}$ 的更精确的表达式。取 $y$ 的自然对数,我们得到:
\[
\ln y = x \ln \left(\frac{x}{1+x}\right) = x \ln \left(1 - \frac{1}{1+x}\right).
\]
使用泰勒展开式 $\ln(1 - u) \approx -u - \frac{u^2}{2}$ 对于小的 $u$,我们有:
\[
\ln \left(1 - \frac{1}{1+x}\right) \approx -\frac{1}{1+x} - \frac{1}{2(1+x)^2}.
\]
因此,
\[
\ln y \approx x \left(-\frac{1}{1+x} - \frac{1}{2(1+x)^2}\right) = -\frac{x}{1+x} - \frac{x}{2(1+x)^2}.
\]
当 $x \to +\infty$ 时,$\frac{x}{1+x} \approx 1$ 和 $\frac{x}{2(1+x)^2} \approx \frac{1}{2x}$。所以,
\[
\ln y \approx -1 - \frac{1}{2x}.
\]
对两边取指数,我们得到:
\[
y \approx e^{-1 - \frac{1}{2x}} = \frac{1}{e} e^{-\frac{1}{2x}} \approx \frac{1}{e} \left(1 - \frac{1}{2x}\right).
\]
因此,
\[
y - \frac{1}{e} \approx \frac{1}{e} \left(1 - \frac{1}{2x}\right) - \frac{1}{e} = -\frac{1}{2ex}.
\]
代回原极限,我们得到:
\[
\lim_{x\to+\infty} x \left(y - \frac{1}{e}\right) \approx \lim_{x\to+\infty} x \left(-\frac{1}{2ex}\right) = \lim_{x\to+\infty} -\frac{1}{2e} = -\frac{1}{2e}.
\]
所以,原极限的值是:
\[
\boxed{-\frac{1}{2e}}.
\]