两个很重要的极限和夹逼准则

两个重要的极限
第一个:
lim(sinx/x),在x趋向于0的时候,其值为1。

第二个:
lim(1+1/x)^x,在x趋向于正无穷的时候,其值为e。
在这里插入图片描述

夹逼准则
如果函数a(x),b(x),c(x)
满足:
a(x)<=b(x)<=c(x)


x趋向于x0
或者x趋向于无穷大

此时a(x)和c(x)都有极限,并且极限都是A,那么又因为:a(x)<=b(x)<=c(x)
此时推导出b(x)在

x趋向于x0
或者x趋向于无穷大
时的极限也是A。

下面来证明第一个重要的极限:
lim(sinx/x)在x趋向于0的时候,极限值为1。

如图所示:
在这里插入图片描述
上图为四分之一圆,圆的半径为1。
如果角AOB为x,单位为弧度。
sinx=CB
x=弧AB,这里要知道弧长计算公式了,等于半径*扇形的弧度,
tanx=AD/OA=AD,这里的OA=半径=1
由图可以可得:
sinx<=x<=tanx
x<=tanx见下图,而弧AB>AB>sinx是由图显而易见的。
在这里插入图片描述

不等式两边同时除以sinx得到:
1<=x/sinx<=tanx/sinx
也就是:
1<=x/sinx<=1/cosx
这个距离我们的sinx/x的极限还是有一定距离:
我们将等式全部倒数得到:
cosx<=sinx/x<=1

如果我们能够推导出cosx的极限在x趋向于0的时候,是1,那么根据夹逼准则可以推导出:sinx/x,在x趋向于0的时候的极限也是1。

ok,问题转化成了,求cosx的在x->0的极限。

在0到pi/2区间内:
0<=|cosx-1|=1-cosx=2[sin(x/2)]^2

根据上面的图形知道,x在0到pi/2区间,sinx<=x<=tanx
而x/2,则进一步的缩小了区间,此时在0到pi/4区间了,则有sin(x/2)<=x/2<=tan(x/2)
此时:
0<=|cosx-1|=1-cosx=2[sin(x/2)]^2 <=2*(x/2)(x/2)=xx/2
当x趋向0的时候,x*x/2的极限为0
所以从而得到:cosx在x趋向0的时候,极限为1。

cosx<=sinx/x<=1
所以,得到sinx/x在x趋向0的时候,极限为1。

准则二:
单调有界数列必有极限。
证明略。在高等数学,同济大学版中,证明略,只给出了几何解释。

第二个重要的极限
lim(1+1/x)^x,在x趋向于正无穷的时候,其值为e。

证明,分为两步。
如果考虑正整数的情况。

Xn = (1+1/n)^n
1)根据牛顿的二项展开式,我们分别展开Xn和Xn+1的情况,可以得到Xn+1是大于Xn的。说明是单调递增的。
2)然后证明其是有界的
比如将Xn=(1+1/n)^n展开:
在这里插入图片描述
由于1-1/n是小于1的,而(1-1/n)(1-2/n)<1*1
以此类推:
在这里插入图片描述
就小于
在这里插入图片描述

此时说明,数量Xn是有界的,ok,也就说明lim(1+1/x)^x,在x趋向于正无穷的时候,是有极限的,通常用字母e表示。

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