题目
设lim_(x to 0) [1 + x + (f(x))/(x)]^(1)/(x) = e^3,则lim_(x to 0) [1 + (f(x))/(x)]^(1)/(x) = _____。
设$\lim_{x \to 0} \left[1 + x + \frac{f(x)}{x}\right]^{\frac{1}{x}} = e^3$,则$\lim_{x \to 0} \left[1 + \frac{f(x)}{x}\right]^{\frac{1}{x}} = \_\_\_\_\_$。
题目解答
答案
设 $ g(x) = \frac{f(x)}{x} $,则已知条件变为
\[
\lim_{x \to 0} \left[1 + x + g(x)\right]^{\frac{1}{x}} = e^3.
\]
取对数得
\[
\lim_{x \to 0} \frac{1}{x} \ln \left[1 + x + g(x)\right] = 3.
\]
由近似 $\ln(1+u) \approx u$(当 $u \to 0$),得
\[
\lim_{x \to 0} \frac{x + g(x)}{x} = 3 \implies \lim_{x \to 0} \left(1 + \frac{g(x)}{x}\right) = 3 \implies \lim_{x \to 0} \frac{g(x)}{x} = 2.
\]
求目标极限
\[
\lim_{x \to 0} \left[1 + g(x)\right]^{\frac{1}{x}} = \lim_{x \to 0} e^{\frac{\ln(1+g(x))}{x}}.
\]
由 $\ln(1+g(x)) \approx g(x)$(当 $g(x) \to 0$),得
\[
\lim_{x \to 0} \frac{\ln(1+g(x))}{x} = \lim_{x \to 0} \frac{g(x)}{x} = 2.
\]
因此,目标极限为 $e^2$。
答案:$\boxed{e^2}$
解析
本题主要考查重要极限公式$\lim_{u \to 0}(1 + u)^{\frac{1}{u}} = e$以及等价无穷小替换的知识。解题的关键思路是通过换元简化已知条件,利用对数性质和等价无穷小对已知极限进行化简,求出相关极限值,再用同样的方法计算目标极限。
- 换元简化已知条件:
设$g(x)=\frac{f(x)}{x}$,则已知条件$\lim_{x \to 0} \left[1 + x + \frac{f(x)}{x}\right]^{\frac{1}{x}} = e^3$可变为$\lim_{x \to 0} \left[1 + x + g(x)\right]^{\frac{1}{x}} = e^3$。 - 对已知极限取对数:
根据对数的性质$a = e^{\ln a}$,对$\lim_{x \to 0} \left[1 + x + g(x)\right]^{\frac{1}{x}} = e^3$两边取自然对数,可得$\lim_{x \to 0} \frac{1}{x} \ln \left[1 + x + g(x)\right] = \ln(e^3)=3$。 - 利用等价无穷小化简:
当$u \to 0$时,$\ln(1 + u) \approx u$。因为当$x \to 0$时,$x + g(x) \to 0$,所以$\ln(1 + x + g(x)) \approx x + g(x)$,则$\lim_{x \to 0} \frac{x + g(x)}{x} = 3$。
对$\lim_{x \to 0} \frac{x + g(x)}{x}$进行化简:
$\lim_{x \to 0} \frac{x + g(x)}{x}=\lim_{x \to 0} \left(1 + \frac{g(x)}{x}\right)=3$
移项可得$\lim_{x \to 0} \frac{g(x)}{x} = 3 - 1 = 2$。 - 计算目标极限:
目标极限为$\lim_{x \to 0} \left[1 + \frac{f(x)}{x}\right]^{\frac{1}{x}}=\lim_{x \to 0} \left[1 + g(x)\right]^{\frac{1}{x}}$。
同样根据$a = e^{\ln a}$,可得$\lim_{x \to 0} \left[1 + g(x)\right]^{\frac{1}{x}}=\lim_{x \to 0} e^{\frac{\ln(1 + g(x))}{x}}$。
因为当$x \to 0$时,$g(x) \to 0$,所以$\ln(1 + g(x)) \approx g(x)$,则$\lim_{x \to 0} \frac{\ln(1 + g(x))}{x} = \lim_{x \to 0} \frac{g(x)}{x} = 2$。
所以$\lim_{x \to 0} e^{\frac{\ln(1 + g(x))}{x}} = e^2$。