談用泰勒展開法求極限

2021-01-14 Chemi4try 化04

作為求極限的最強殺器,泰勒展開以它簡單粗暴的運算方法,深受工科數學出題老師的喜愛。人們在運用泰勒展開時,在感受到這方法的強大與萬能時,也常苦於運算複雜和如何確定展開階數的問題,在此便稍微論述相關問題。

一.使用泰勒展開的目標

一般情況下,要求的極限是當x趨近於0時的極限,就算x不是趨近於0,也常常可以用換元等方法變成上述類型。使用泰勒後,我們期望也應該得到的式子是多項式除以多項式的形式。

自然,我們也肯定想要分子的最低次數和分母的相同,以便我們可以在趨近0時可以約去,以得到一個常數(帶一個無窮小量),極限就這樣可以得出。也就是說,我們展開後的目標是這樣的:

二.確定展開階數

一般而言,大部分的這種極限類型為A/B式,A-B式及此二者的結合。

首先看個典型的錯題:

這題主要出現了兩個問題,放的階數不夠及無窮小量被自動忽略了,出現了x·o(x)等於o(x^3)的錯誤,這也提示了我們,當我們發現乘出來的無窮小量不能合為一個無窮小量時,很有可能是展開的還不夠。至於此題的正確解法希望同學們看完文章後自行給出。

A/B型

正如我們在第一部分所說,我們希望分子分母同階(或分子階數比分母更高),一般而言,我們先確定分子或分母的階數,再按照這個階數展開另一部分。

例如:

顯然分母是三階的,那就只需要將分子也展開到3階即可。也就有:

A-B型

但我們平時見到的大部分極限,除了有些我們作為常識的階數,大部分的分子分母是很難明顯看出階數的,如第一題的分子,這種主要是以A-B的形式存在,對這種式子階數的確定,我們另有方法。

方法聽上去也很簡單,一項項比,直到沒法消去為止。

比如來確定下面這個式子的階數。

我們來看看這個式子的兩部分,用我們已經背下來的公式套套看(剛開始背不下來多翻翻,抄久了自然背得下來)。

看到這前幾項後,注意到相減後前兩項都會消失,但x^4項還在,因此我們可以認為,這個式子是4次的。

來看個複雜的題目

先嘗試確定分子或分母的階數,看上去分母更簡單,就分母下手。

這樣即可得分母為3階,那將分子每項都展到3階即可。

三.使用泰勒展開的運算問題

1.不能不寫無窮小量!也不要還沒取極限就約掉了。泰勒展開是個等式,不是近似等式。

2.當已確定階數時,遇到AB(A、B都需要泰勒展開時),建議將A和B都展開到該階數再相乘,否則容易發生像最上面的錯例那種情況(分母顯然為三階,分子e^x*sinx這項e^x只展到了2階,sinx只展到了一階,導致出現問題。

3.對於乘式的展開和複合函數的展開巨大的運算量,要學會適當估計階數扔掉太小的無窮小量,特別是複合,複合函數的展開練的多後可以不用兩部分都展到同階數。比如將下面這個式子在x=0展到4階。

先確定複合,三次根式可以看成1/3次方,使用(1+u)^a的展開式,其中u=1-cosx(注意u應該也要趨近於0,才能使得前一個式子可以進行麥克勞林展開)。

(注意到從第一個式子確定出1-cosx為2階,第二個式子就不必再展到4階,展到2階即可,反正u的三次方至少是x的六次方)

上式中有一項是u^2的化簡,注意到我們目標是展到四階,u*u想要得到四次及以下的項,只可能是x^2項與x^2相乘,就直接得到了1/4x^4。在做乘法或乘方時,找哪幾項相乘階數滿足要求比全展開要快得多。

4.多記多用,自然算的快,三大三角函數,e^x,ln(1+x),(1+x)^a的三階展開最好牢記於心。泰勒也不是死的,和一些化簡技術一起用更強。

5.祝大家都能掌握泰勒展開此神器,不懼求極限題。有任何不懂之處也可前來提問,統統歡迎。


這是學委給大家辛苦整理的微積分複習課(尤其是泰勒)

希望大家認真複習呀~

製作不易 感謝學委呀!


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