做ICPC求极限题有感—–求极限题到底怎么做啊

发布时间 2023-09-15 01:14:49作者: value0

做ICPC求极限题有感—–求极限题到底怎么做啊

\(本人是真的没有数理基础啊!!!\)

关于本题内求极限的探讨:

首先是题目:

\[\begin{align*} \lim_{x \to 0} {\frac {\sum_{i=1} ^ {n} {a_i\cdot ln(1 +b_i\cdot x)} } {x^t}} \\ \end{align*} \]

题目样例:

\[a_1 = 1,b_1= 1\\ a_2 = 1,b_2=-1\\ t=2\\ 答案为:-1 \]

本人对该样例苦思许久,都无法理解,因此有了这篇随笔。

心路历程:

很久没求过极限了,第一反应就是拆分和式,0比0型洛必达。等价无穷小代换。后求导。

\[\begin{align*} &\lim_{x \to 0}(\frac {x} {x^2} + \frac {-x} {x^2} )=\lim_{x \to 0}(\frac {1} {2x} +\frac {-1} {2x})=0 \end{align*} \]

不用等价无穷小代换直接求导也差不多.

\[\begin{align*} \lim_{x \to 0}[\frac {ln(1+x)} {x^2} + \frac {ln(1 - x)} {x^2}] = \lim_{x\to0}(\frac 1 {x^3}- \frac 1 {x^3})= 0 \end{align*} \]

然后坐牢了1个小时左右,才回想起有泰勒展开带入这方法,具体点的思路可看改题解题思路,链接就在标题上。

回头总结:

问题提出:

首先,为什么等价无穷小代换不行?

因为这里的等价无穷小代换精度不够。

举个例子:

\[\begin{align*} \lim_{x \to 0}\frac {3x^3} {2x^3} = \frac 3 2 \end{align*} \]

这个式子正确可以说是上下两个同阶项的系数都是正确的,如果我们将\(3x^3\)\(2x^3\)等价代换了呢?

众所周知(听别人说的),我们常记的等价无穷小代换本质上就是泰勒展开的一阶展开。

什么是泰勒展开?

泰勒展开就是用多项式来近似表达一个函数。

我们现在有个\(f(x)\),但是她太复杂了,不方便研究。于是我们就想到,我们通过模仿她的性质,用一个初等函数组成的多项式来近似她,这样便于处理。

对于一个函数\(f(x)\)她的一阶导数包含了她的单调性,二阶导数包含了她的凹凸性,三阶我不知道。。。

总而言之,如果我们近似的这个多项式的n阶导数,如果和她相同的越多是否说明二者越相近呢?

当然,某一点导数体现的是函数\(f(x)\)在某一点的性质,我们就是从点得到一个具体的数代表性质,然后深入、扩展。

于是,我们设\(f(x)\)\(x_0\)处具有\(n\)阶导数,模拟一个关于\((x-x_0)\)的近似多项式:

\[p_n(x)=a_0+a_1(x-x_0)^1+a_2(x-x_0)^2+...+a_n(x-x_0)^n \tag{1} \]

接下来,我们要使\(f(x)\)\(p_n(x)\)\(n\)阶导相等

直接求导代入即可:

\[\begin{align*} &a_0= f(x_0),1\cdot a_1=f'(x_0),\\, 2!\cdot &a_2=f''(x_0),...,n!\cdot a_n=f^{(n)}(x_0) \end{align*} \]

得:

\[\begin{align*} a_0= f(x_0),a_1=f'(x_0),a_2=\frac 1 {2!}f''(x_0),...,a_n=\frac 1 {n!}f^{(n)}(x_0) \end{align*} \]

\(a_0,a_1,a_2,...,a_n\)代入公式\((1)\)可得:

\[p_n(x)=f(x_0)+f'(x_0)(x-x_0)+\frac {f''(x_0)} {2!}(x - x_0)^2 + ... +\frac {f^{(n)}(x_0)} {n!}(x - x_0)^n \tag{2} \]

其中,\(x_0==0\)时,就是麦克劳林公式了:

\[p_n(x)=f(x_0)+f'(0)x+\frac {f''(0)} {2!}x^2 + ... +\frac {f^{(n)}(0)} {n!}x^n \tag{2} \]

回到主题:

有些时候,等价无穷小代入求解有较大偏差,就是因为泰勒公式继续展开能发现有些同阶的项没有被考虑在内。

众所周知,高阶项在极限逼近的时候,总是比低阶项要快。

比如,我们求

\[\lim_{x \to 0}\frac {2x^2 +3x^3 + x^4} {x^3} \]

高阶的\(x^4\)可以不看,因为和式拆分出来她那一部分的项一定会趋于0.

而低阶的\(x^2\)无论系数是多少,和式拆分出来那部分一定是趋于\(\infty\).

上述问题也是在做题时遇到的要讨论的情况。

所以在求极限时,我们最终的非零和非无穷解,基本就要看同阶项的系数比值了。所以泰勒展开求得某一阶精确系数就很重要了。

正常求极限例题补充: