Există așa ceva în matematică ca limita unei funcții. Pentru a înțelege cum să găsiți limite, trebuie să vă amintiți definiția limitei unei funcții: o funcție f (x) are o limită L într-un punct x = a dacă pentru fiecare succesiune de valori a lui x care converge către punctul a, succesiunea valorilor lui y se apropie de:
- L lim f(x) = L
Conceptul și proprietățile limitelor
Ce este o limită poate fi înțeles dintr-un exemplu. Să presupunem că avem funcția y=1/x. Dacă creștem constant valoarea lui x și ne uităm la ce este egal cu y, vom obține valori din ce în ce mai descrescătoare: la x=10000 y=1/10000; la x=1000000 y=1/1000000. Acestea. cu cât mai mult x, cu atât mai puțin y. Dacă x=∞, y va fi atât de mic încât poate fi considerat egal cu 0. Astfel, limita funcției y=1/x pe măsură ce x tinde spre ∞ este egală cu 0. Se scrie astfel:
- lim1/х=0
Limita unei funcții are câteva proprietăți pe care trebuie să le rețineți: acest lucru va facilita foarte mult rezolvarea problemelor privind găsirea limitelor:
- Limita sumei este egală cu suma limitelor: lim(x+y)=lim x+lim y
- Limita produsului este egală cu produsul limitelor: lim(xy)=lim x*lim y
- Limita câtului este egală cu câtul limitelor: lim(x/y)=lim x/lim y
- Factorul constant este scos din semnul limită: lim(Cx)=C lim x
Funcția y=1/x, în care x →∞, are o limită egală cu zero; pentru x→0, limita este egală cu ∞.
- lim (sin x)/x=1 x→0
Prima limită remarcabilă este următoarea egalitate:
\begin(equation)\lim_(\alpha\to(0))\frac(\sin\alpha)(\alpha)=1 \end(equation)
Deoarece pentru $\alpha\to(0)$ avem $\sin\alpha\to(0)$, se spune că prima limită remarcabilă dezvăluie o incertitudine de forma $\frac(0)(0)$. În general, în formula (1), în locul variabilei $\alpha$, orice expresie poate fi plasată sub semnul sinus și la numitor, atâta timp cât sunt îndeplinite două condiții:
- Expresiile de sub semnul sinus și din numitor tind simultan spre zero, adică. există incertitudinea formei $\frac(0)(0)$.
- Expresiile de sub semnul sinus și la numitor sunt aceleași.
Corolarele din prima limită remarcabilă sunt, de asemenea, adesea folosite:
\begin(equation) \lim_(\alpha\to(0))\frac(\tg\alpha)(\alpha)=1 \end(equation) \begin(equation) \lim_(\alpha\to(0) )\frac(\arcsin\alpha)(\alpha)=1 \end(equation) \begin(equation) \lim_(\alpha\to(0))\frac(\arctg\alpha)(\alpha)=1 \end(ecuație)
Unsprezece exemple sunt rezolvate pe această pagină. Exemplul nr. 1 este dedicat demonstrarii formulelor (2)-(4). Exemplele nr. 2, nr. 3, nr. 4 și nr. 5 conțin soluții cu comentarii detaliate. Exemplele nr. 6-10 conțin soluții practic fără comentarii, deoarece explicațiile detaliate au fost date în exemplele anterioare. Soluția folosește câteva formule trigonometrice care poate fi găsit.
Observ că prezența funcții trigonometrice cuplat cu incertitudinea $\frac (0) (0)$ nu înseamnă încă aplicarea obligatorie a primei limite remarcabile. Uneori sunt suficiente transformări trigonometrice simple - de exemplu, vezi.
Exemplul nr. 1
Demonstrați că $\lim_(\alpha\to(0))\frac(\tg\alpha)(\alpha)=1$, $\lim_(\alpha\to(0))\frac(\arcsin\alpha ) (\alpha)=1$, $\lim_(\alpha\to(0))\frac(\arctg\alpha)(\alpha)=1$.
a) Deoarece $\tg\alpha=\frac(\sin\alpha)(\cos\alpha)$, atunci:
$$ \lim_(\alpha\to(0))\frac(\tg(\alpha))(\alpha)=\left|\frac(0)(0)\right| =\lim_(\alpha\to(0))\frac(\sin(\alpha))(\alpha\cos(\alpha)) $$
Deoarece $\lim_(\alpha\to(0))\cos(0)=1$ și $\lim_(\alpha\to(0))\frac(\sin\alpha)(\alpha)=1$, Acea:
$$ \lim_(\alpha\to(0))\frac(\sin(\alpha))(\alpha\cos(\alpha)) =\frac(\displaystyle\lim_(\alpha\to(0)) \frac(\sin(\alpha))(\alpha))(\displaystyle\lim_(\alpha\to(0))\cos(\alpha)) =\frac(1)(1) =1. $$
b) Să facem schimbarea $\alpha=\sin(y)$. Deoarece $\sin(0)=0$, atunci din condiția $\alpha\to(0)$ avem $y\to(0)$. În plus, există o vecinătate de zero în care $\arcsin\alpha=\arcsin(\sin(y))=y$, deci:
$$ \lim_(\alpha\to(0))\frac(\arcsin\alpha)(\alpha)=\left|\frac(0)(0)\right| =\lim_(y\to(0))\frac(y)(\sin(y)) =\lim_(y\to(0))\frac(1)(\frac(\sin(y))( y)) =\frac(1)(\displaystyle\lim_(y\to(0))\frac(\sin(y))(y)) =\frac(1)(1) =1. $$
Egalitatea $\lim_(\alpha\to(0))\frac(\arcsin\alpha)(\alpha)=1$ a fost dovedită.
c) Să facem înlocuirea $\alpha=\tg(y)$. Deoarece $\tg(0)=0$, atunci condițiile $\alpha\to(0)$ și $y\to(0)$ sunt echivalente. În plus, există o vecinătate de zero în care $\arctg\alpha=\arctg\tg(y))=y$, prin urmare, pe baza rezultatelor punctului a), vom avea:
$$ \lim_(\alpha\to(0))\frac(\arctg\alpha)(\alpha)=\left|\frac(0)(0)\right| =\lim_(y\la(0))\frac(y)(\tg(y)) =\lim_(y\la(0))\frac(1)(\frac(\tg(y))( y)) =\frac(1)(\displaystyle\lim_(y\to(0))\frac(\tg(y))(y)) =\frac(1)(1) =1. $$
Egalitatea $\lim_(\alpha\to(0))\frac(\arctg\alpha)(\alpha)=1$ a fost dovedită.
Egalitățile a), b), c) sunt adesea folosite împreună cu prima limită remarcabilă.
Exemplul nr. 2
Calculați limita $\lim_(x\to(2))\frac(\sin\left(\frac(x^2-4)(x+7)\right))(\frac(x^2-4) ( x+7))$.
Deoarece $\lim_(x\to(2))\frac(x^2-4)(x+7)=\frac(2^2-4)(2+7)=0$ și $\lim_( x \to(2))\sin\left(\frac(x^2-4)(x+7)\right)=\sin(0)=0$, i.e. si atat numaratorul cat si numitorul fractiei tind simultan spre zero, atunci aici avem de-a face cu o incertitudine de forma $\frac(0)(0)$, i.e. Terminat. În plus, este clar că expresiile de sub semnul sinus și din numitor coincid (adică și este satisfăcut):
Deci, ambele condiții enumerate la începutul paginii sunt îndeplinite. De aici rezultă că formula este aplicabilă, i.e. $\lim_(x\to(2)) \frac(\sin\left(\frac(x^2-4)(x+7)\right))(\frac(x^2-4)(x+ 7 ))=1$.
Răspuns: $\lim_(x\to(2))\frac(\sin\left(\frac(x^2-4)(x+7)\right))(\frac(x^2-4)(x +7))=1$.
Exemplul nr. 3
Găsiți $\lim_(x\to(0))\frac(\sin(9x))(x)$.
Deoarece $\lim_(x\to(0))\sin(9x)=0$ și $\lim_(x\to(0))x=0$, atunci avem de-a face cu o incertitudine de forma $\frac (0 )(0)$, adică Terminat. Cu toate acestea, expresiile de sub semnul sinus și din numitor nu coincid. Aici trebuie să ajustați expresia din numitor la forma dorită. Avem nevoie ca expresia $9x$ să fie la numitor, atunci va deveni adevărată. În esență, ne lipsește un factor de 9 USD în numitor, care nu este atât de greu de introdus - doar înmulțiți expresia din numitor cu 9 USD. Desigur, pentru a compensa înmulțirea cu $9$, va trebui să împărțiți imediat la $9$:
$$ \lim_(x\to(0))\frac(\sin(9x))(x)=\left|\frac(0)(0)\right| =\lim_(x\to(0))\frac(\sin(9x))(9x\cdot\frac(1)(9)) =9\lim_(x\to(0))\frac(\sin (9x))(9x)$$
Acum, expresiile de la numitor și de sub semnul sinus coincid. Ambele condiții pentru limita $\lim_(x\to(0))\frac(\sin(9x))(9x)$ sunt îndeplinite. Prin urmare, $\lim_(x\to(0))\frac(\sin(9x))(9x)=1$. Și asta înseamnă că:
$$ 9\lim_(x\to(0))\frac(\sin(9x))(9x)=9\cdot(1)=9. $$
Răspuns: $\lim_(x\to(0))\frac(\sin(9x))(x)=9$.
Exemplul nr. 4
Găsiți $\lim_(x\to(0))\frac(\sin(5x))(\tg(8x))$.
Deoarece $\lim_(x\to(0))\sin(5x)=0$ și $\lim_(x\to(0))\tg(8x)=0$, aici avem de-a face cu incertitudinea formei $\frac(0)(0)$. Cu toate acestea, forma primei limite remarcabile este încălcată. Un numărător care conține $\sin(5x)$ necesită un numitor de $5x$. În această situație, cel mai simplu mod este să împărțiți numărătorul cu $5x$ și să înmulțiți imediat cu $5x$. În plus, vom efectua o operație similară cu numitorul, înmulțind și împărțind $\tg(8x)$ la $8x$:
$$\lim_(x\to(0))\frac(\sin(5x))(\tg(8x))=\left|\frac(0)(0)\right| =\lim_(x\to(0))\frac(\frac(\sin(5x))(5x)\cdot(5x))(\frac(\tg(8x))(8x)\cdot(8x) )$$
Reducând cu $x$ și luând constanta $\frac(5)(8)$ în afara semnului limită, obținem:
$$ \lim_(x\to(0))\frac(\frac(\sin(5x))(5x)\cdot(5x))(\frac(\tg(8x))(8x)\cdot(8x )) =\frac(5)(8)\cdot\lim_(x\to(0))\frac(\frac(\sin(5x))(5x))(\frac(\tg(8x))( 8x)) $$
Rețineți că $\lim_(x\to(0))\frac(\sin(5x))(5x)$ îndeplinește pe deplin cerințele pentru prima limită remarcabilă. Pentru a găsi $\lim_(x\to(0))\frac(\tg(8x))(8x)$ se aplică următoarea formulă:
$$ \frac(5)(8)\cdot\lim_(x\to(0))\frac(\frac(\sin(5x))(5x))(\frac(\tg(8x))(8x )) =\frac(5)(8)\cdot\frac(\displaystyle\lim_(x\to(0))\frac(\sin(5x))(5x))(\displaystyle\lim_(x\to (0))\frac(\tg(8x))(8x)) =\frac(5)(8)\cdot\frac(1)(1) =\frac(5)(8). $$
Răspuns: $\lim_(x\to(0))\frac(\sin(5x))(\tg(8x))=\frac(5)(8)$.
Exemplul nr. 5
Găsiți $\lim_(x\to(0))\frac(\cos(5x)-\cos^3(5x))(x^2)$.
Deoarece $\lim_(x\to(0))(\cos(5x)-\cos^3(5x))=1-1=0$ (rețineți că $\cos(0)=1$) și $\ lim_(x\to(0))x^2=0$, atunci avem de-a face cu incertitudinea de forma $\frac(0)(0)$. Totuși, pentru a aplica prima limită remarcabilă, ar trebui să scăpați de cosinusul din numărător, trecând la sinusuri (pentru a aplica apoi formula) sau tangente (pentru a aplica apoi formula). Acest lucru se poate face cu următoarea transformare:
$$\cos(5x)-\cos^3(5x)=\cos(5x)\cdot\left(1-\cos^2(5x)\right)$$ $$\cos(5x)-\cos ^3(5x)=\cos(5x)\cdot\left(1-\cos^2(5x)\right)=\cos(5x)\cdot\sin^2(5x).$$
Să revenim la limită:
$$ \lim_(x\to(0))\frac(\cos(5x)-\cos^3(5x))(x^2)=\left|\frac(0)(0)\right| =\lim_(x\to(0))\frac(\cos(5x)\cdot\sin^2(5x))(x^2) =\lim_(x\to(0))\left(\cos (5x)\cdot\frac(\sin^2(5x))(x^2)\right) $$
Fracția $\frac(\sin^2(5x))(x^2)$ este deja apropiată de forma necesară pentru prima limită remarcabilă. Să lucrăm puțin cu fracția $\frac(\sin^2(5x))(x^2)$, ajustând-o la prima limită remarcabilă (rețineți că expresiile din numărător și sub sinus trebuie să se potrivească):
$$\frac(\sin^2(5x))(x^2)=\frac(\sin^2(5x))(25x^2\cdot\frac(1)(25))=25\cdot\ frac(\sin^2(5x))(25x^2)=25\cdot\left(\frac(\sin(5x))(5x)\right)^2$$
Să revenim la limita în cauză:
$$ \lim_(x\to(0))\left(\cos(5x)\cdot\frac(\sin^2(5x))(x^2)\right) =\lim_(x\to(0) ))\left(25\cos(5x)\cdot\left(\frac(\sin(5x))(5x)\right)^2\right)=\\ =25\cdot\lim_(x\to( 0))\cos(5x)\cdot\lim_(x\to(0))\left(\frac(\sin(5x))(5x)\right)^2 =25\cdot(1)\cdot( 1^2) =25. $$
Răspuns: $\lim_(x\to(0))\frac(\cos(5x)-\cos^3(5x))(x^2)=25$.
Exemplul nr. 6
Găsiți limita $\lim_(x\to(0))\frac(1-\cos(6x))(1-\cos(2x))$.
Deoarece $\lim_(x\to(0))(1-\cos(6x))=0$ și $\lim_(x\to(0))(1-\cos(2x))=0$, atunci avem de-a face cu incertitudinea $\frac(0)(0)$. Să o dezvăluim cu ajutorul primei limite remarcabile. Pentru a face acest lucru, să trecem de la cosinus la sinusuri. Deoarece $1-\cos(2\alpha)=2\sin^2(\alpha)$, atunci:
$$1-\cos(6x)=2\sin^2(3x);\;1-\cos(2x)=2\sin^2(x).$$
Trecând la sinusuri în limita dată, vom avea:
$$ \lim_(x\to(0))\frac(1-\cos(6x))(1-\cos(2x))=\left|\frac(0)(0)\right| =\lim_(x\to(0))\frac(2\sin^2(3x))(2\sin^2(x)) =\lim_(x\to(0))\frac(\sin^ 2(3x))(\sin^2(x))=\\ =\lim_(x\to(0))\frac(\frac(\sin^2(3x))((3x)^2)\ cdot(3x)^2)(\frac(\sin^2(x))(x^2)\cdot(x^2)) =\lim_(x\to(0))\frac(\left(\ frac(\sin(3x))(3x)\right)^2\cdot(9x^2))(\left(\frac(\sin(x))(x)\right)^2\cdot(x^ 2)) = 9\cdot\frac(\displaystyle\lim_(x\to(0))\left(\frac(\sin(3x))(3x)\right)^2)(\displaystyle\lim_(x \to(0))\left(\frac(\sin(x))(x)\right)^2) =9\cdot\frac(1^2)(1^2) =9. $$
Răspuns: $\lim_(x\to(0))\frac(1-\cos(6x))(1-\cos(2x))=9$.
Exemplul nr. 7
Calculați limita $\lim_(x\to(0))\frac(\cos(\alpha(x))-\cos(\beta(x)))(x^2)$ sub rezerva $\alpha\neq \ beta$.
Explicații detaliate au fost date mai devreme, dar aici pur și simplu observăm că din nou există incertitudine $\frac(0)(0)$. Să trecem de la cosinus la sinus folosind formula
$$\cos\alpha-\cos\beta=-2\sin\frac(\alpha+\beta)(2)\cdot\sin\frac(\alpha-\beta)(2).$$
Folosind această formulă, obținem:
$$ \lim_(x\to(0))\frac(\cos(\alpha(x))-\cos(\beta(x)))(x^2)=\left|\frac(0)( 0)\dreapta| =\lim_(x\to(0))\frac(-2\sin\frac(\alpha(x)+\beta(x))(2)\cdot\sin\frac(\alpha(x)-\ beta(x))(2))(x^2)=\\ =-2\cdot\lim_(x\to(0))\frac(\sin\left(x\cdot\frac(\alpha+\beta) )(2)\right)\cdot\sin\left(x\cdot\frac(\alpha-\beta)(2)\right))(x^2) =-2\cdot\lim_(x\to( 0))\left(\frac(\sin\left(x\cdot\frac(\alpha+\beta)(2)\right))(x)\cdot\frac(\sin\left(x\cdot\frac (\alpha-\beta)(2)\right))(x)\right)=\\ =-2\cdot\lim_(x\to(0))\left(\frac(\sin\left(x) \cdot\frac(\alpha+\beta)(2)\right))(x\cdot\frac(\alpha+\beta)(2))\cdot\frac(\alpha+\beta)(2)\cdot\frac (\sin\left(x\cdot\frac(\alpha-\beta)(2)\right))(x\cdot\frac(\alpha-\beta)(2))\cdot\frac(\alpha- \beta)(2)\right)=\\ =-\frac((\alpha+\beta)\cdot(\alpha-\beta))(2)\lim_(x\to(0))\frac(\ sin\left(x\cdot\frac(\alpha+\beta)(2)\right))(x\cdot\frac(\alpha+\beta)(2))\cdot\lim_(x\to(0)) \frac(\sin\left(x\cdot\frac(\alpha-\beta)(2)\right))(x\cdot\frac(\alpha-\beta)(2)) =-\frac(\ alpha^2-\beta^2)(2)\cdot(1)\cdot(1) =\frac(\beta^2-\alpha^2)(2). $$
Răspuns: $\lim_(x\to(0))\frac(\cos(\alpha(x))-\cos(\beta(x)))(x^2)=\frac(\beta^2-\ alfa^2)(2)$.
Exemplul nr. 8
Găsiți limita $\lim_(x\to(0))\frac(\tg(x)-\sin(x))(x^3)$.
Deoarece $\lim_(x\to(0))(\tg(x)-\sin(x))=0$ (rețineți că $\sin(0)=\tg(0)=0$) și $\ lim_(x\to(0))x^3=0$, atunci aici avem de-a face cu incertitudinea de forma $\frac(0)(0)$. Să-l defalcăm după cum urmează:
$$ \lim_(x\to(0))\frac(\tg(x)-\sin(x))(x^3)=\left|\frac(0)(0)\right| =\lim_(x\to(0))\frac(\frac(\sin(x))(\cos(x))-\sin(x))(x^3) =\lim_(x\to( 0))\frac(\sin(x)\cdot\left(\frac(1)(\cos(x))-1\right))(x^3) =\lim_(x\to(0)) \frac(\sin(x)\cdot\left(1-\cos(x)\right))(x^3\cdot\cos(x))=\\ =\lim_(x\to(0)) \frac(\sin(x)\cdot(2)\sin^2\frac(x)(2))(x^3\cdot\cos(x)) =\frac(1)(2)\cdot\ lim_(x\to(0))\left(\frac(\sin(x))(x)\cdot\left(\frac(\sin\frac(x)(2))(\frac(x)( 2))\right)^2\cdot\frac(1)(\cos(x))\right) =\frac(1)(2)\cdot(1)\cdot(1^2)\cdot(1) ) =\frac(1)(2). $$
Răspuns: $\lim_(x\to(0))\frac(\tg(x)-\sin(x))(x^3)=\frac(1)(2)$.
Exemplul nr. 9
Găsiți limita $\lim_(x\to(3))\frac(1-\cos(x-3))((x-3)\tg\frac(x-3)(2))$.
Deoarece $\lim_(x\to(3))(1-\cos(x-3))=0$ și $\lim_(x\to(3))(x-3)\tg\frac(x - 3)(2)=0$, atunci există incertitudinea formei $\frac(0)(0)$. Înainte de a trece la extinderea acesteia, este convenabil să faceți o schimbare de variabilă în așa fel încât noua variabilă să tinde spre zero (rețineți că în formule variabila $\alpha \to 0$). Cel mai simplu mod este introducerea variabilei $t=x-3$. Cu toate acestea, pentru comoditatea transformărilor ulterioare (acest beneficiu poate fi văzut în cursul soluției de mai jos), merită să faceți următoarea înlocuire: $t=\frac(x-3)(2)$. Remarc că ambele înlocuiri sunt aplicabile în acest caz, doar că a doua înlocuire vă va permite să lucrați mai puțin cu fracții. Din moment ce $x\la(3)$, atunci $t\la(0)$.
$$ \lim_(x\to(3))\frac(1-\cos(x-3))((x-3)\tg\frac(x-3)(2))=\left|\frac (0)(0)\dreapta| =\left|\begin(aligned)&t=\frac(x-3)(2);\\&t\to(0)\end(aligned)\right| =\lim_(t\to(0))\frac(1-\cos(2t))(2t\cdot\tg(t)) =\lim_(t\to(0))\frac(2\sin^ 2t)(2t\cdot\tg(t)) =\lim_(t\to(0))\frac(\sin^2t)(t\cdot\tg(t))=\\ =\lim_(t\ to(0))\frac(\sin^2t)(t\cdot\frac(\sin(t))(\cos(t))) =\lim_(t\to(0))\frac(\sin (t)\cos(t))(t) =\lim_(t\to(0))\left(\frac(\sin(t))(t)\cdot\cos(t)\right) =\ lim_(t\to(0))\frac(\sin(t))(t)\cdot\lim_(t\to(0))\cos(t) =1\cdot(1) =1. $$
Răspuns: $\lim_(x\to(3))\frac(1-\cos(x-3))((x-3)\tg\frac(x-3)(2))=1$.
Exemplul nr. 10
Găsiți limita $\lim_(x\to\frac(\pi)(2))\frac(1-\sin(x))(\left(\frac(\pi)(2)-x\right)^ 2)$.
Încă o dată avem de-a face cu incertitudinea $\frac(0)(0)$. Înainte de a trece la extinderea acesteia, este convenabil să faceți o schimbare de variabilă în așa fel încât noua variabilă să tindă spre zero (rețineți că în formule variabila este $\alpha\to(0)$). Cel mai simplu mod este să introduceți variabila $t=\frac(\pi)(2)-x$. Deoarece $x\la\frac(\pi)(2)$, atunci $t\la(0)$:
$$ \lim_(x\la\frac(\pi)(2))\frac(1-\sin(x))(\left(\frac(\pi)(2)-x\right)^2) =\stânga|\frac(0)(0)\dreapta| =\left|\begin(aligned)&t=\frac(\pi)(2)-x;\\&t\to(0)\end(aligned)\right| =\lim_(t\to(0))\frac(1-\sin\left(\frac(\pi)(2)-t\right))(t^2) =\lim_(t\to(0) ))\frac(1-\cos(t))(t^2)=\\ =\lim_(t\to(0))\frac(2\sin^2\frac(t)(2))( t^2) =2\lim_(t\to(0))\frac(\sin^2\frac(t)(2))(t^2) =2\lim_(t\to(0))\ frac(\sin^2\frac(t)(2))(\frac(t^2)(4)\cdot(4)) =\frac(1)(2)\cdot\lim_(t\to( 0))\left(\frac(\sin\frac(t)(2))(\frac(t)(2))\right)^2 =\frac(1)(2)\cdot(1^2 ) =\frac(1)(2). $$
Răspuns: $\lim_(x\la\frac(\pi)(2))\frac(1-\sin(x))(\left(\frac(\pi)(2)-x\right)^2) =\frac(1)(2)$.
Exemplul nr. 11
Găsiți limitele $\lim_(x\to\frac(\pi)(2))\frac(1-\sin(x))(\cos^2x)$, $\lim_(x\to\frac(2) \ pi)(3))\frac(\tg(x)+\sqrt(3))(2\cos(x)+1)$.
În acest caz nu trebuie să folosim prima limită minunată. Vă rugăm să rețineți că atât prima cât și a doua limită conțin numai funcții și numere trigonometrice. Adesea în exemple de acest fel este posibilă simplificarea expresiei situate sub semnul limită. Mai mult, după simplificarea și reducerea menționată mai sus a unor factori, incertitudinea dispare. Am dat acest exemplu doar cu un singur scop: să arăt că prezența funcțiilor trigonometrice sub semnul limită nu înseamnă neapărat utilizarea primei limite remarcabile.
Deoarece $\lim_(x\to\frac(\pi)(2))(1-\sin(x))=0$ (rețineți că $\sin\frac(\pi)(2)=1$ ) și $\lim_(x\to\frac(\pi)(2))\cos^2x=0$ (permiteți-mi să vă reamintesc că $\cos\frac(\pi)(2)=0$), atunci avem care se ocupă de incertitudinea formei $\frac(0)(0)$. Totuși, asta nu înseamnă că va trebui să folosim prima limită minunată. Pentru a dezvălui incertitudinea, este suficient să luăm în considerare faptul că $\cos^2x=1-\sin^2x$:
$$ \lim_(x\to\frac(\pi)(2))\frac(1-\sin(x))(\cos^2x) =\left|\frac(0)(0)\right| =\lim_(x\la\frac(\pi)(2))\frac(1-\sin(x))(1-\sin^2x) =\lim_(x\to\frac(\pi)( 2))\frac(1-\sin(x))((1-\sin(x))(1+\sin(x))) =\lim_(x\to\frac(\pi)(2) )\frac(1)(1+\sin(x)) =\frac(1)(1+1) =\frac(1)(2). $$
Există o soluție similară în cartea de soluții a lui Demidovich (nr. 475). În ceea ce privește a doua limită, ca și în exemplele anterioare din această secțiune, avem o incertitudine de forma $\frac(0)(0)$. De ce apare? Apare deoarece $\tg\frac(2\pi)(3)=-\sqrt(3)$ și $2\cos\frac(2\pi)(3)=-1$. Folosim aceste valori pentru a transforma expresiile în numărător și numitor. Scopul acțiunilor noastre este de a nota suma în numărător și numitor ca produs. Apropo, adesea în cadrul unui tip similar este convenabil să se schimbe o variabilă, făcută în așa fel încât noua variabilă să tinde spre zero (vezi, de exemplu, exemplele nr. 9 sau nr. 10 de pe această pagină). Cu toate acestea, în în acest exemplu nu are rost să o înlocuiești, deși, dacă se dorește, înlocuirea variabilei $t=x-\frac(2\pi)(3)$ nu este dificil de implementat.
$$ \lim_(x\la\frac(2\pi)(3))\frac(\tg(x)+\sqrt(3))(2\cos(x)+1) =\lim_(x\ la\frac(2\pi)(3))\frac(\tg(x)+\sqrt(3))(2\cdot\left(\cos(x)+\frac(1)(2)\right )) =\lim_(x\la\frac(2\pi)(3))\frac(\tg(x)-\tg\frac(2\pi)(3))(2\cdot\left(\ cos(x)-\cos\frac(2\pi)(3)\right))=\\ =\lim_(x\to\frac(2\pi)(3))\frac(\frac(\sin \left(x-\frac(2\pi)(3)\right))(\cos(x)\cos\frac(2\pi)(3)))(-4\sin\frac(x+\frac (2\pi)(3))(2)\sin\frac(x-\frac(2\pi)(3))(2)) =\lim_(x\to\frac(2\pi)(3 ))\frac(\sin\left(x-\frac(2\pi)(3)\right))(-4\sin\frac(x+\frac(2\pi)(3))(2)\ sin\frac(x-\frac(2\pi)(3))(2)\cos(x)\cos\frac(2\pi)(3))=\\ =\lim_(x\to\frac (2\pi)(3))\frac(2\sin\frac(x-\frac(2\pi)(3))(2)\cos\frac(x-\frac(2\pi)(3 ))(2))(-4\sin\frac(x+\frac(2\pi)(3))(2)\sin\frac(x-\frac(2\pi)(3))(2) \cos(x)\cos\frac(2\pi)(3)) =\lim_(x\to\frac(2\pi)(3))\frac(\cos\frac(x-\frac(2) \pi)(3))(2))(-2\sin\frac(x+\frac(2\pi)(3))(2)\cos(x)\cos\frac(2\pi)(3 ))=\\ =\frac(1)(-2\cdot\frac(\sqrt(3))(2)\cdot\left(-\frac(1)(2)\right)\cdot\left( -\frac(1)(2)\right)) =-\frac(4)(\sqrt(3)). $$
După cum puteți vedea, nu a trebuit să aplicăm prima limită minunată. Desigur, puteți face acest lucru dacă doriți (vezi nota de mai jos), dar nu este necesar.
Care este soluția folosind prima limită remarcabilă? arată ascunde
Folosind prima limită remarcabilă obținem:
$$ \lim_(x\la\frac(2\pi)(3))\frac(\sin\left(x-\frac(2\pi)(3)\right))(-4\sin\frac (x+\frac(2\pi)(3))(2)\sin\frac(x-\frac(2\pi)(3))(2)\cos(x)\cos\frac(2\pi )(3))=\\ =\lim_(x\to\frac(2\pi)(3))\left(\frac(\sin\left(x-\frac(2\pi)(3)\ dreapta))(x-\frac(2\pi)(3))\cdot\frac(1)(\frac(\sin\frac(x-\frac(2\pi)(3))(2)) (\frac(x-\frac(2\pi)(3))(2)))\cdot\frac(1)(-2\sin\frac(x+\frac(2\pi)(3))( 2)\cos(x)\cos\frac(2\pi)(3))\right) =1\cdot(1)\cdot\frac(1)(-2\cdot\frac(\sqrt(3)) )(2)\cdot\left(-\frac(1)(2)\right)\cdot\left(-\frac(1)(2)\right)) =-\frac(4)(\sqrt( 3)). $$
Răspuns: $\lim_(x\to\frac(\pi)(2))\frac(1-\sin(x))(\cos^2x)=\frac(1)(2)$, $\lim_( x\la\frac(2\pi)(3))\frac(\tg(x)+\sqrt(3))(2\cos(x)+1)=-\frac(4)(\sqrt( 3))$.
Teoria limitelor- una dintre secțiunile analizei matematice pe care unii o pot stăpâni, în timp ce alții au dificultăți în calcularea limitelor. Întrebarea găsirii limitelor este destul de generală, deoarece există zeci de tehnici limite de soluție tipuri variate. Aceleași limite pot fi găsite atât folosind regula lui L'Hopital, cât și fără ea. Se întâmplă ca programarea unei serii de funcții infinitezimale vă permite să obțineți rapid rezultatul dorit. Există un set de tehnici și trucuri care vă permit să găsiți limita unei funcții de orice complexitate. În acest articol vom încerca să înțelegem principalele tipuri de limite care sunt cel mai des întâlnite în practică. Nu vom da aici teoria și definiția limitei; există multe resurse pe Internet unde se discută acest lucru. Prin urmare, să trecem la calcule practice, aici este locul în care „Nu știu! Nu pot! Nu am fost învățați!”
Calcularea limitelor folosind metoda substituției
Exemplul 1. Găsiți limita unei funcții
Lim((x^2-3*x)/(2*x+5),x=3).
Rezolvare: Exemple de acest fel pot fi calculate teoretic folosind substituția obișnuită
Limita este 18/11.
Nu este nimic complicat sau înțelept în legătură cu astfel de limite - am înlocuit valoarea, am calculat-o și am notat limita ca răspuns. Cu toate acestea, pe baza unor astfel de limite, toată lumea este învățată că, în primul rând, trebuie să înlocuiască valoarea în funcție. În plus, limitele devin mai complicate, introducând conceptul de infinit, incertitudine și altele asemenea.
O limită cu incertitudine ca infinitul împărțit la infinit. Tehnici de dezvăluire a incertitudinii
Exemplul 2. Găsiți limita unei funcții
Lim((x^2+2x)/(4x^2+3x-4),x=infinit).
Rezolvare: este dată o limită a formei polinom împărțită la un polinom, iar variabila tinde spre infinit
Pur și simplu înlocuirea valorii la care ar trebui găsită variabila pentru a găsi limitele nu va ajuta, obținem o incertitudine de forma infinit împărțită la infinit.
Conform teoriei limitelor, algoritmul de calcul al limitei este de a găsi cea mai mare putere a lui „x” în numărător sau numitor. În continuare, numărătorul și numitorul sunt simplificați la acesta și se găsește limita funcției
Deoarece valoarea tinde spre zero atunci când variabila se apropie de infinit, acestea sunt neglijate sau sunt scrise în expresia finală sub formă de zerouri
Imediat din practică, puteți obține două concluzii care sunt un indiciu în calcule. Dacă o variabilă tinde spre infinit și gradul numărătorului este mai mare decât gradul numitorului, atunci limita este egală cu infinitul. În caz contrar, dacă polinomul din numitor este de ordin mai mare decât în numărător, limita este zero.
Limita poate fi scrisă în formule ca aceasta:
Dacă avem o funcție de forma unui câmp obișnuit fără fracții, atunci limita sa este egală cu infinitul
Următorul tip de limite se referă la comportamentul funcțiilor aproape de zero.
Exemplul 3. Găsiți limita unei funcții
Lim((x^2+3x-5)/(x^2+x+2), x=0).
Soluție: Nu este nevoie să eliminați aici factorul conducător al polinomului. Exact invers, trebuie să găsiți cea mai mică putere a numărătorului și numitorului și să calculați limita
Valoarea x^2; x tinde spre zero atunci când variabila tinde spre zero. Prin urmare, ele sunt neglijate, așa că obținem
că limita este 2,5.
Acum știi cum să găsiți limita unei funcții din formă, împărțiți un polinom la un polinom dacă variabila tinde spre infinit sau 0. Dar aceasta este doar o mică și ușoară parte a exemplelor. Din următorul material veți învăța cum să descoperiți incertitudinile în limitele unei funcții.
Limită cu incertitudine de tip 0/0 și metode de calcul a acesteia
Toată lumea își amintește imediat regula că nu poți împărți la zero. Totuși, teoria limitelor în acest context implică funcții infinitezimale.
Să ne uităm la câteva exemple pentru claritate.
Exemplul 4. Găsiți limita unei funcții
Lim((3x^2+10x+7)/(x+1), x=-1).
Rezolvare: Când înlocuim valoarea variabilei x = -1 în numitor, obținem zero și obținem același lucru la numărător. Deci avem incertitudinea formei 0/0.
Abordarea unei astfel de incertitudini este simplă: trebuie să factorizați polinomul sau, mai degrabă, să selectați factorul care transformă funcția în zero.
După extindere, limita funcției poate fi scrisă ca
Aceasta este întreaga metodă de calcul a limitei unei funcții. Facem același lucru dacă există o limită a formei polinom împărțit la un polinom.
Exemplul 5. Găsiți limita unei funcții
Lim((2x^2-7x+6)/(3x^2-x-10), x=2).
Soluție: Substituirea directă arată
2*4-7*2+6=0;
3*4-2-10=0
ce avem incertitudine de tip 0/0.
Să împărțim polinoamele la factorul care introduce singularitatea
Există profesori care învață că polinoamele de ordinul 2, adică de tipul „ecuații pătratice”, trebuie rezolvate prin discriminant. Dar practica reală arată că acest lucru este mai lung și mai confuz, așa că scăpați de caracteristicile în limitele conform algoritmului specificat. Astfel, scriem funcția sub formă de factori simpli și o calculăm în limită
După cum puteți vedea, nu este nimic complicat în calcularea unor astfel de limite. În momentul studierii limitelor, știți să împărțiți polinoamele. macar Conform programului, ar trebui să treacă deja.
Printre sarcinile pe incertitudine de tip 0/0 Există unele în care trebuie să utilizați formule de înmulțire abreviate. Dar dacă nu le cunoașteți, atunci împărțind un polinom la un monom puteți obține formula dorită.
Exemplul 6. Găsiți limita unei funcții
Lim((x^2-9)/(x-3), x=3).
Rezolvare: Avem o incertitudine de tip 0/0. La numărător folosim formula de înmulțire prescurtată
și calculați limita necesară
Metodă de dezvăluire a incertitudinii prin înmulțirea cu conjugatul său
Metoda se aplică la limitele în care incertitudinea este generată de funcțiile iraționale. Numătorul sau numitorul se transformă în zero în punctul de calcul și nu se știe cum să se găsească granița.
Exemplul 7. Găsiți limita unei funcții
Lim((sqrt(x+2)-sqrt(7x-10))/(3x-6), x=2).
Soluţie: Să reprezentăm variabila în formula limită
La substituire, obținem o incertitudine de tip 0/0.
Conform teoriei limitelor, modalitatea de a ocoli această caracteristică este de a multiplica expresia irațională cu conjugatul ei. Pentru a vă asigura că expresia nu se schimbă, numitorul trebuie împărțit la aceeași valoare
Folosind regula diferenței de pătrate, simplificăm numărătorul și calculăm limita funcției
Simplificam termenii care creeaza singularitatea in limita si efectuam substitutia
Exemplul 8. Găsiți limita unei funcții
Lim((sqrt(x-2)-sqrt(2x-5))/(3-x), x=3).
Rezolvare: Substituția directă arată că limita are o singularitate de forma 0/0.
Pentru a extinde, înmulțim și împărțim la conjugatul numărătorului
Notăm diferența de pătrate
Simplificam termenii care introduc singularitatea si gasim limita functiei
Exemplul 9. Găsiți limita unei funcții
Lim((x^2+x-6)/(sqrt(3x-2)-2), x=2).
Soluție: Înlocuiți doi în formulă
Primim incertitudine 0/0.
Numitorul trebuie înmulțit cu expresia conjugată, iar la numărător trebuie rezolvată sau factorizată ecuația pătratică, ținând cont de singularitate. Deoarece se știe că 2 este o rădăcină, găsim a doua rădăcină folosind teorema lui Vieta
Astfel, scriem numeratorul sub forma
și înlocuiți-l în limită
Prin reducerea diferenței de pătrate, scăpăm de singularitățile din numărător și numitor
În acest fel, puteți scăpa de singularități în multe exemple, iar aplicația trebuie remarcată oriunde o anumită diferență de rădăcini se transformă în zero în timpul înlocuirii. Alte tipuri de limite se referă funcții exponențiale, funcții infinitezimale, logaritmi, limite speciale și alte tehnici. Dar puteți citi despre acest lucru în articolele enumerate mai jos despre limite.
Incertitudinea tipului și speciei sunt cele mai frecvente incertitudini care trebuie dezvăluite atunci când se rezolvă limitele.
Majoritatea problemelor limită întâlnite de studenți conțin tocmai astfel de incertitudini. Pentru a le dezvălui sau, mai exact, pentru a evita incertitudinile, există mai multe tehnici artificiale de transformare a tipului de expresie sub semnul limită. Aceste tehnici sunt următoarele: împărțirea în termeni a numărătorului și numitorului cu cea mai mare putere a variabilei, înmulțirea cu expresia conjugată și factorizarea pentru reducerea ulterioară folosind soluții ecuații pătraticeși formule de înmulțire prescurtate.
Incertitudinea speciei
Exemplul 1.
n este egal cu 2. Prin urmare, împărțim termenul numărător și numitor cu termen la:
.
Comentează în partea dreaptă a expresiei. Săgețile și numerele indică la ce tind fracțiile după înlocuire n adică infinit. Iată, ca în exemplul 2, gradul n Există mai mult în numitor decât în numărător, drept urmare întreaga fracție tinde să fie infinitezimală sau „super-mică”.
Obținem răspunsul: limita acestei funcții cu o variabilă care tinde spre infinit este egală cu .
Exemplul 2. .
Soluţie. Aici cea mai mare putere a variabilei X este egal cu 1. Prin urmare, împărțim termenul numărător și numitor cu termen cu X:
Comentariu asupra evoluției deciziei. În numărător trecem „x” sub rădăcina gradului al treilea și, astfel încât gradul său inițial (1) să rămână neschimbat, îi atribuim același grad ca și rădăcina, adică 3. Nu există săgeți sau numere suplimentare. în această intrare, deci încercați mental, dar prin analogie cu exemplul anterior, determinați la ce tind expresiile din numărător și numitor după ce înlocuiți infinitul în loc de „x”.
Am primit răspunsul: limita acestei funcții cu o variabilă care tinde spre infinit este egală cu zero.
Incertitudinea speciei
Exemplul 3. Descoperiți incertitudinea și găsiți limita.
Soluţie. Numătorul este diferența de cuburi. Să o factorizăm folosind formula de înmulțire prescurtată de la cursul de matematică din școală:
Numitorul conține un trinom pătratic, pe care îl vom factoriza prin rezolvarea unei ecuații pătratice (din nou o legătură cu rezolvarea ecuațiilor pătratice):
Să notăm expresia obținută în urma transformărilor și să găsim limita funcției:
Exemplul 4. Deblocați incertitudinea și găsiți limita
Soluţie. Teorema limitei coeficientului nu este aplicabilă aici, deoarece
Prin urmare, transformăm fracția în mod identic: înmulțind numărătorul și numitorul cu binomul conjugat la numitor și reducem cu X+1. Conform corolarului teoremei 1, obținem o expresie, rezolvând căreia găsim limita dorită:
Exemplul 5. Deblocați incertitudinea și găsiți limita
Soluţie. Înlocuirea directă a valorii X= 0 într-o funcție dată duce la o incertitudine de forma 0/0. Pentru a o dezvălui, efectuăm transformări identice și în final obținem limita dorită:
Exemplul 6. calculati
Soluţie: Să folosim teoremele asupra limitelor
Răspuns: 11
Exemplul 7. calculati
Soluţie:în acest exemplu, limitele numărătorului și numitorului la sunt egale cu 0:
; . Am primit, prin urmare, teorema privind limita coeficientului nu poate fi aplicată.
Să factorizăm numărătorul și numitorul pentru a reduce fracția cu un factor comun care tinde spre zero și, prin urmare, să facem posibilă aplicarea teoremei 3.
Să extindem trinomul pătrat în numărător folosind formula , unde x 1 și x 2 sunt rădăcinile trinomului. Având factorizat și numitor, reduceți fracția cu (x-2), apoi aplicați teorema 3.
Răspuns:
Exemplul 8. calculati
Soluţie: Când numărătorul și numitorul tind spre infinit, prin urmare, la aplicarea directă a teoremei 3, obținem expresia , care reprezintă incertitudinea. Pentru a scăpa de incertitudinea de acest tip, ar trebui să împărțiți numărătorul și numitorul la cea mai mare putere a argumentului. În acest exemplu, trebuie să împărțiți cu X:
Răspuns:
Exemplul 9. calculati
Soluţie: x 3:
Răspuns: 2
Exemplul 10. calculati
Soluţie: Când numărătorul și numitorul tind spre infinit. Să împărțim numărătorul și numitorul la cea mai mare putere a argumentului, adică. x 5:
=
Numătorul fracției tinde spre 1, numitorul tinde spre 0, deci fracția tinde spre infinit.
Răspuns:
Exemplul 11. calculati
Soluţie: Când numărătorul și numitorul tind spre infinit. Să împărțim numărătorul și numitorul la cea mai mare putere a argumentului, adică. x 7:
Răspuns: 0
Derivat.
Derivata functiei y = f(x) fata de argumentul x se numește limita raportului dintre incrementul său y și incrementul x al argumentului x, când incrementul argumentului tinde spre zero: . Dacă această limită este finită, atunci funcția y = f(x) se spune că este diferențiabilă în punctul x. Dacă această limită există, atunci ei spun că funcția y = f(x) are o derivată infinită în punctul x.
Derivate de bază functii elementare:
1. (const)=0 9.
3. 11.
4. 12.
Reguli de diferentiere:
A)
Exemplul 1. Aflați derivata unei funcții
Soluţie: Dacă derivata celui de-al doilea termen se găsește folosind regula diferențierii fracțiilor, atunci primul termen este o funcție complexă, a cărei derivată se găsește prin formula:
Unde , Apoi
La rezolvarea s-au folosit următoarele formule: 1,2,10,a,c,d.
Răspuns:
Exemplul 21. Aflați derivata unei funcții
Soluţie: ambii termeni sunt funcții complexe, unde pentru primul , și pentru al doilea , , apoi
Răspuns:
Aplicații derivate.
1. Viteza si acceleratia
Fie funcția s(t) să descrie poziţie obiect într-un sistem de coordonate la momentul t. Atunci derivata întâi a funcției s(t) este instantanee viteză obiect:
v=s′=f′(t)
Derivata a doua a functiei s(t) reprezinta instantaneul accelerare obiect:
w=v′=s′′=f′′(t)
2. Ecuația tangentei
y−y0=f′(x0)(x−x0),
unde (x0,y0) sunt coordonatele punctului tangent, f′(x0) este valoarea derivatei funcției f(x) în punctul tangent.
3. Ecuație normală
y−y0=−1f′(x0)(x−x0),
unde (x0,y0) sunt coordonatele punctului în care este trasată normala, f′(x0) este valoarea derivatei funcției f(x) în acest punct.
4. Funcția de creștere și scădere
Dacă f′(x0)>0, atunci funcția crește în punctul x0. În figura de mai jos, funcția crește cu x
Dacă f′(x0)<0, то функция убывает в точке x0 (интервал x1
5. Extreme locale ale unei funcții
Funcția f(x) are maxim localîn punctul x1, dacă există o vecinătate a punctului x1 astfel încât pentru toți x din această vecinătate să fie valabilă inegalitatea f(x1)≥f(x).
În mod similar, funcția f(x) are minim localîn punctul x2, dacă există o vecinătate a punctului x2 astfel încât pentru toți x din această vecinătate să fie valabilă inegalitatea f(x2)≤f(x).
6. Puncte critice
Punctul x0 este punct critic funcția f(x), dacă derivata f′(x0) din ea este egală cu zero sau nu există.
7. Primul semn suficient al existenței unui extremum
Dacă funcția f(x) crește (f′(x)>0) pentru tot x dintr-un interval (a,x1] și scade (f′(x))<0) для всех x в интервале и возрастает (f′(x)>0) pentru toți x din intervalul )