什么情况下可以使用等价无穷小替换?

下列计算正确的是:
A:
$\displaystyle \lim _{x \to 0}\frac{tanx-sinx}{x^3}=\lim _{x \to 0}\frac{x-x}{x^3}=0$
B:
$\displaystyle \lim _{x \to 0}\frac{tanx-sinx}{x}=\lim _{x \to 0}\frac{x-x}{x}=0$
本题主要考的是等价无穷小的替换,判断是否能够替换需要用到泰勒展开。

1 知识回顾
1.1 等价无穷小
等价无穷小的定义:
$\displaystyle \lim _{x\to x_0}f(x)=0$,$\displaystyle \lim _{x\to x_0}g(x)=0,\displaystyle \lim _{x\to x_0}\frac{g(x)}{f(x)}=1$。则称f(x)与g(x)为等价无穷小。
本题所涉及的等价无穷小:
$sinx \sim x$
$tanx \sim x$
1.2 常见泰勒展开式
本题涉及的泰勒展开式:
$\displaystyle sinx=x-\frac{x^3}{3!}+\frac{x^5}{5!}-...$
$\displaystyle tanx=x+\frac{x^3}{3}+\frac{2x^5}{15}+...$

2 等价无穷小求极限
等价无穷小在本质上来说,是函数在某点进行1阶泰勒展开。
2.1 乘除法可以直接用等价无穷小替换
以$\displaystyle \lim _{x \to 0}\frac{tanx}{sinx}$为例,
$\displaystyle \lim _{x \to 0}\frac{tanx}{sinx}=\lim _{x \to 0}\frac{x+o(x)}{x+o(x)}=\frac{1+\frac{o(x)}{x}}{1+\frac{o(x)}{x}}=1$。
乘除法中,o(x)不会对式子的结果产生影响,所以只需要进行一阶泰勒展开,等价无穷小适用。
2.2 加减法不一定能用等价无穷小
加减法我们首先要看题需要泰勒展开到哪一项:
以本题A选项为例,需要泰勒展开到$x^3$次方项,而等价无穷小只是进行了一阶的泰勒展开,所以这里不能用等价无穷小替换。
如果用等价无穷小的话会出现下面的问题:
$\displaystyle \lim _{x \to 0}\frac{tanx-sinx}{x^3}=\lim _{x \to 0}\frac{(x+o(x))-(x+o(x)}{x^3})=\lim _{x\to 0}\frac{o(x)-o(x)}{x^3}$
因为o(x)并不是$x^3$的高阶无穷小,所以$o(x)/x^3$会对原来的式子造成影响。
我们展开到余项为$o(x^3)$的项
$\displaystyle \lim _{x \to 0}\frac{tanx-sinx}{x^3}=\lim _{x \to 0}\frac{(x+\frac{x^3}{3}+o(x^3))-(x-\frac{x^3}{3!}+o(x^3))}{x^3}=\frac{1}{2}$
B选项只需要展开到x项,只需要进行1阶泰勒展开,所以可以用等价无穷小。
$\displaystyle \lim _{x \to 0}\frac{tanx-sinx}{x}=\lim _{x \to 0}\frac{(x+o(x))-(x+o(x))}{x}=0$。
B选项为正确选项。

3 总结
等价无穷小可以看作是函数泰勒展开到第一项。
对于乘除法中的等价无穷小使用,适用,因为乘除法只需要看泰勒展开的第一项。
对于加减法中的等价无穷小使用,如果只需要一阶泰勒展开,加减法适用;需要进行更高阶的泰勒展开则不适用。
判断能不能用等价无穷小,要用到泰勒展开,如果对等价无穷小的使用熟悉,自然解题快速,正确率高。如果不熟悉等价无穷小,那么泰勒展开解题是最好的选择。
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