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数学
题目

求极限lim _(xarrow 0)(dfrac (1)({sin )^2x}-dfrac ({cos )^2x}({x)^2})= ()

求极限

题目解答

答案

本题答案为

解:由题可知:先通分得:

根据二倍角公式:可得:上式

然后便可利用常见的无穷小代换:可得:上式

观察可得其满足型,因此可使用洛必达法则:上式

仍然满足型,因此可再次使用洛必达法则:上式

根据常用无穷小代换:

可得:

∴上式

∴本题答案为

解析

考查要点:本题主要考查极限的计算,涉及三角函数恒等变换、等价无穷小代换以及洛必达法则的应用。

解题核心思路:

  1. 通分将原式转化为分式形式,便于后续处理;
  2. 二倍角公式简化分子中的三角函数表达式;
  3. 泰勒展开或等价无穷小展开分子和分母,直接计算极限;
  4. 若直接展开困难,可考虑洛必达法则,但需注意导数计算的准确性。

破题关键点:

  • 通过通分将原式转化为分式,简化运算;
  • 利用$\sin 2x = 2\sin x \cos x$将分子中的$\sin^2 x \cos^2 x$转化为$\sin^2 2x$;
  • 对分子和分母进行泰勒展开或等价无穷小代换,避免复杂的洛必达法则应用。

步骤1:通分
原式可通分得:
$\lim_{x \to 0} \left( \frac{1}{\sin^2 x} - \frac{\cos^2 x}{x^2} \right) = \lim_{x \to 0} \frac{x^2 - \sin^2 x \cos^2 x}{x^2 \sin^2 x}.$

步骤2:应用二倍角公式
利用$\sin 2x = 2\sin x \cos x$,得:
$\sin^2 x \cos^2 x = \left( \frac{\sin 2x}{2} \right)^2 = \frac{\sin^2 2x}{4}.$
代入分子得:
$x^2 - \frac{\sin^2 2x}{4}.$

步骤3:泰勒展开或等价无穷小代换

  • 当$x \to 0$时,$\sin 2x \approx 2x - \frac{(2x)^3}{6} = 2x - \frac{4x^3}{3}$,因此:
    $\sin^2 2x \approx (2x)^2 - 2 \cdot 2x \cdot \frac{4x^3}{3} = 4x^2 - \frac{8x^4}{3}.$
    代入分子得:
    $x^2 - \frac{1}{4}\left(4x^2 - \frac{8x^4}{3}\right) = x^2 - x^2 + \frac{2x^4}{3} = \frac{2x^4}{3}.$

  • 分母$\sin^2 x \approx x^2 - \frac{x^4}{3}$,因此:
    $x^2 \sin^2 x \approx x^2 \left(x^2 - \frac{x^4}{3}\right) = x^4 - \frac{x^6}{3}.$

步骤4:计算极限
将分子和分母代入分式:
$\lim_{x \to 0} \frac{\frac{2x^4}{3}}{x^4 - \frac{x^6}{3}} = \lim_{x \to 0} \frac{\frac{2}{3}}{1 - \frac{x^2}{3}} = \frac{2}{3}.$
但此处存在错误,正确展开应为:
分子实际为$\frac{4x^4}{3}$(修正步骤3中的系数),因此:
$\lim_{x \to 0} \frac{\frac{4x^4}{3}}{x^4} = \frac{4}{3}.$

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