已知lim_(xto0)((1+sin2x^2)^frac(1)/(x^{2))-e^2}(x^n)=a(aneq0),求a和n的值.
题目解答
答案
解析
考查要点:本题主要考查极限的计算,特别是涉及指数函数和泰勒展开的应用。需要学生掌握等价无穷小替换、泰勒展开以及极限阶数的比较。
解题核心思路:
- 将表达式$\left(1+\sin2x^{2}\right)^{\frac{1}{x^{2}}}$转化为指数形式,利用自然对数展开;
- 对$\ln(1+\sin2x^2)$进行泰勒展开,保留到足够高的阶数;
- 对指数函数$e^y$再次展开,得到分子的主部;
- 通过比较分子和分母的阶数,确定$n$的值,进而求出$a$。
破题关键点:
- 识别指数部分的极限形式,并展开到足够高的阶数;
- 正确处理泰勒展开中的高阶小项,确保主部项的准确性;
- 通过阶数匹配确定$n$的值,使极限存在且非零。
-
处理指数部分
将$\left(1+\sin2x^{2}\right)^{\frac{1}{x^{2}}}$写成指数形式:
$\left(1+\sin2x^{2}\right)^{\frac{1}{x^{2}}} = e^{\frac{1}{x^2}\ln(1+\sin2x^2)}.$ -
展开$\ln(1+\sin2x^2)$
当$x \to 0$时,$\sin2x^2 \approx 2x^2 - \frac{(2x^2)^3}{6}$,代入$\ln(1+y)$的泰勒展开:
$\ln(1+\sin2x^2) \approx \sin2x^2 - \frac{(\sin2x^2)^2}{2} \approx 2x^2 - 2x^4 + O(x^6).$ -
代入指数函数并展开
指数部分为:
$e^{\frac{1}{x^2}(2x^2 - 2x^4 + O(x^6))} = e^{2 - 2x^2 + O(x^4)}.$
进一步展开$e^{-2x^2}$:
$e^{2 - 2x^2 + O(x^4)} \approx e^2 \left(1 - 2x^2 + 2x^4\right).$ -
计算分子主部
分子为:
$e^2 - 2e^2x^2 + O(x^4) - e^2 = -2e^2x^2 + O(x^4).$ -
确定$n$和$a$
分子主部为$-2e^2x^2$,分母为$x^n$。为使极限非零,需$n=2$,此时:
$\lim_{x\to0}\frac{-2e^2x^2}{x^2} = -2e^2.$