Решение задач

Пределы задача. Найти предел $\lim\limits_{x \to 0}\frac{x\sin(\sin x) - \sin^{2}x}{x^{6}}$


Найти предел
\[\lim_{x \to 0}\frac{x\sin(\sin x) - \sin^{2}x}{x^{6}}\]

 Можно использовать правила в Лопиталя (еще одна альтернатива ряд Тейлора). Эта проблема дается во вступительной главе об ограничениях и концепции ряда Тейлора или правила Лопиталя приводится в последующих главах в той же книге. Cуществует механизм, позволяющий оценить этот предел более простыми методами, включающими основную алгебраические и тригонометрические манипуляциями и использование предела \[\lim_{x \to 0}\frac{\sin x}{x} = 1\]
 

PS: Ответ \( 1 / \) 18 и может быть легко проверена с помощью калькулятора, положив

  \(x = 0.01\)

    
math.stackexchange.
    
Можно разложить функцию в ряд:

\(f(x) = 1/18-x^2/45+(569 x^4)/113400+O(x^6)\)
2  
Можно использовать \(\sin(s) = s - \dfrac{s^3}6 + \dfrac{s^5}{120} + o(s^6)\) and \(x = \arcsin(s) = s + \dfrac{s^3}6 + \dfrac{3s^5}{40} + o(s^6)\). Let \(s=\sin(x)\). Then \begin{align*} \lim_{x\to 0}\frac{x\sin(s)-s^2}{x^6} &=\lim_{x\to 0}\frac{(x-s)(\sin(s)-s)+s\left(\sin(s)-s\right)+s(x-s)}{x^6}\\ &=\lim_{x\to 0}\frac{ \left(\dfrac{s^3}6\right)\left(-\dfrac{s^3}6\right) + s\left(-\dfrac{s^3}6+\dfrac{s^5}{120}\right) + s\left(\dfrac{s^3}6+\dfrac{3s^5}{40}\right)}{x^6}\\ &=\lim_{x\to 0}\frac{\dfrac{-s^6}{36}+\dfrac{s^6}{120}+\dfrac{3s^6}{40}}{x^6} =\frac1{18}. \end{align*}
1  
1  
Решение этой проблемы. Детальное решения , которое устанавливает фундаментальный предел (х-SiN х) / x3 (х-sin⁡x) / x3 . Хотя это немного подробный, кажется лучшим. Что касается комментария от Andrew D, это от 10-го издания книги и спрашивает:

"Докажите, что ф (х) = xsin (SiN х) -sin2xφ (х) = xsin⁡ (sin⁡x) -sin2⁡x

имеет шестой порядок малости, когда хх мал, и

найти предел
\((x - \sin x)/x^{3}\)

 "Доказать, что \(\phi(x) = x\sin(\sin x) - \sin^{2}x\) имеет шестой порядок малости, когда  \(x\) ;

 \(\phi(x)/x^{6}\) as \(x \to 0\)" 

7

устанавливает фундаментальный предел

\((x - \sin x)/x^{3}\)

НАдо доказать, что формула

\(\phi(x) = x\sin(\sin x) - \sin^{2}x\)

имеет шестой порядок малости, когда \(x\) мал, и найти предел 

"\(\phi(x)/x^{6}\) as \(x \to 0\)" 

Результат:

Используем

\[ \begin{align} \frac{\color{#C00000}{\sin(2x)-2\sin(x)}}{\color{#00A000}{\tan(2x)-2\tan(x)}} &=\underbrace{\color{#C00000}{2\sin(x)(\cos(x)-1)}\vphantom{\frac{\tan^2(x)}{\tan^2(x)}}}\underbrace{\frac{\color{#00A000}{1-\tan^2(x)}}{\color{#00A000}{2\tan^3(x)}}}\\ &=\hphantom{\sin}\frac{-2\sin^3(x)}{\cos(x)+1}\hphantom{\sin}\frac{\cos(x)\cos(2x)}{2\sin^3(x)}\\ &=-\frac{\cos(x)\cos(2x)}{\cos(x)+1}\tag{1} \end{align} \]


Следовательно,

\[ \lim_{x\to0}\frac{\sin(x)-2\sin(x/2)}{\tan(x)-2\tan(x/2)}=-\frac12\tag{2} \]


Таким образом
\(\epsilon\gt0\), найдем \(\delta\gt0\) so that if \(|x|\le\delta\) \[ \left|\,\frac{\sin(x)-2\sin(x/2)}{\tan(x)-2\tan(x/2)}+\frac12\,\right|\le\epsilon\tag{3} \] Because \(\,\displaystyle\lim_{x\to0}\frac{\sin(x)}{x}=\lim_{x\to0}\frac{\tan(x)}{x}=1\), we have \[ \sin(x)-x=\sum_{k=0}^\infty2^k\sin(x/2^k)-2^{k+1}\sin(x/2^{k+1})\tag{4} \] and \[ \tan(x)-x=\sum_{k=0}^\infty2^k\tan(x/2^k)-2^{k+1}\tan(x/2^{k+1})\tag{5} \] By \((3)\) each term of \((4)\) is between \(-\frac12-\epsilon\) and \(-\frac12+\epsilon\) of the corresponding term of \((5)\).

Следовательно, \[ \left|\,\frac{\sin(x)-x}{\tan(x)-x}+\frac12\,\right|\le\epsilon\tag{6} \] Thus, \[ \lim_{x\to0}\,\frac{\sin(x)-x}{\tan(x)-x}=-\frac12\tag{7} \] Furthermore, \[ \begin{align} \frac{\tan(x)-\sin(x)}{x^3} &=\tan(x)(1-\cos(x))\frac1{x^3}\\ &=\frac{\sin(x)}{\cos(x)}\frac{\sin^2(x)}{1+\cos(x)}\frac1{x^3}\\ &=\frac1{\cos(x)(1+\cos(x))}\left(\frac{\sin(x)}{x}\right)^3\tag{8} \end{align} \] Therefore, \[ \lim_{x\to0}\frac{\tan(x)-\sin(x)}{x^3}=\frac12\tag{9} \] Combining \((7)\) and \((9)\) yield \[ \lim_{x\to0}\frac{x-\sin(x)}{x^3}=\frac16\tag{10} \] Additionally, \[ \frac{\sin(A)-\sin(B)}{\sin(A-B)} =\frac{\cos\left(\frac{A+B}{2}\right)}{\cos\left(\frac{A-B}{2}\right)} =1-\frac{2\sin\left(\frac{A}{2}\right)\sin\left(\frac{B}{2}\right)}{\cos\left(\frac{A-B}{2}\right)}\tag{11} \]


Finishing Up:

\[ \begin{align} &x\sin(\sin(x))-\sin^2(x)\\ &=[\color{#C00000}{(x-\sin(x))+\sin(x)}][\color{#00A000}{(\sin(\sin(x))-\sin(x))+\sin(x)}]-\sin^2(x)\\ &=\color{#C00000}{(x-\sin(x))}\color{#00A000}{(\sin(\sin(x))-\sin(x))}\\ &+\color{#C00000}{(x-\sin(x))}\color{#00A000}{\sin(x)}\\ &+\color{#C00000}{\sin(x)}\color{#00A000}{(\sin(\sin(x))-\sin(x))}\\ &=(x-\sin(x))(\sin(\sin(x))-\sin(x))+\sin(x)(x-2\sin(x)+\sin(\sin(x)))\tag{12} \end{align} \]

Using \((10)\), we get that

\[ \begin{align} &\lim_{x\to0}\frac{(x-\sin(x))(\sin(\sin(x))-\sin(x))}{x^6}\\ &=\lim_{x\to0}\frac{x-\sin(x)}{x^3}\lim_{x\to0}\frac{\sin(\sin(x))-\sin(x)}{\sin^3(x)}\lim_{x\to0}\left(\frac{\sin(x)}{x}\right)^3\\ &=\frac16\cdot\frac{-1}6\cdot1\\ &=-\frac1{36}\tag{13} \end{align} \] and with \((10)\) and \((11)\), we have \[ \begin{align} &\lim_{x\to0}\frac{\sin(x)(x-2\sin(x)+\sin(\sin(x)))}{x^6}\\ &=\lim_{x\to0}\frac{\sin(x)}{x}\lim_{x\to0}\frac{x-2\sin(x)+\sin(\sin(x))}{x^5}\\ &=\lim_{x\to0}\frac{(x-\sin(x))-(\sin(x)-\sin(\sin(x))}{x^5}\\ &=\lim_{x\to0}\frac{(x-\sin(x))-\sin(x-\sin(x))\left(1-\frac{2\sin\left(\frac{x}{2}\right)\sin\left(\frac{\sin(x)}{2}\right)}{\cos\left(\frac{x-\sin(x)}{2}\right)}\right)}{x^5}\\ &=\lim_{x\to0}\frac{(x-\sin(x))-\sin(x-\sin(x))+\sin(x-\sin(x))\frac{2\sin\left(\frac{x}{2}\right)\sin\left(\frac{\sin(x)}{2}\right)}{\cos\left(\frac{x-\sin(x)}{2}\right)}}{x^5}\\ &=\lim_{x\to0}\frac{\sin(x-\sin(x))}{x^3}\frac{2\sin\left(\frac{x}{2}\right)\sin\left(\frac{\sin(x)}{2}\right)}{x^2}\\[6pt] &=\frac16\cdot\frac12\\[6pt] &=\frac1{12}\tag{14} \end{align} \]

Складывая \((13)\) и \((14)\)

получаем

\[\color{#C00000}{\lim_{x\to0}\frac{x\sin(\sin(x))-\sin^2(x)}{x^6}=\frac1{18}}\tag{15} \]


Объяснение формулы  \((6)\)

Объяснение ниже
\(x\gt0\) and \(x\lt0\).

Только реверсируем (reverse the red inequalities).

Рассчитаем
\(x\color{#C00000}{\gt}0\) and \(|x|\lt\pi/2\). Then \(\tan(x)-2\tan(x/2)\color{#C00000}{\gt}0\).

\((3)\) эквивалентно
\[ \begin{align} &(-1/2-\epsilon)(\tan(x)-2\tan(x/2))\\[4pt] \color{#C00000}{\le}&\sin(x)-2\sin(x/2)\\[4pt] \color{#C00000}{\le}&(-1/2+\epsilon)(\tan(x)-2\tan(x/2))\tag{16} \end{align} \] for all \(|x|\lt\delta\). Thus, for \(k\ge0\), \[ \begin{align} &(-1/2-\epsilon)(2^k\tan(x/2^k)-2^{k+1}\tan(x/2^{k+1}))\\[4pt] \color{#C00000}{\le}&2^k\sin(x/2^k)-2^{k+1}\sin(x/2^{k+1})\\[4pt] \color{#C00000}{\le}&(-1/2+\epsilon)(2^k\tan(x/2^k)-2^{k+1}\tan(x/2^{k+1}))\tag{17} \end{align} \] Summing \((17)\) from \(k=0\) to \(\infty\) yields \[ \begin{align} &(-1/2-\epsilon)\left(\tan(x)-\lim_{k\to\infty}2^k\tan(x/2^k)\right)\\[4pt] \color{#C00000}{\le}&\sin(x)-\lim_{k\to\infty}2^k\sin(x/2^k)\\[4pt] \color{#C00000}{\le}&(-1/2+\epsilon)\left(\tan(x)-\lim_{k\to\infty}2^k\tan(x/2^k)\right)\tag{18} \end{align} \] Since \(\lim\limits_{k\to\infty}2^k\tan(x/2^k)=\lim\limits_{k\to\infty}2^k\sin(x/2^k)=x\), \((18)\) says \[ \begin{align} &(-1/2-\epsilon)(\tan(x)-x)\\[4pt] \color{#C00000}{\le}&\sin(x)-x\\[4pt] \color{#C00000}{\le}&(-1/2+\epsilon)(\tan(x)-x))\tag{19} \end{align} \] which, since \(\epsilon\)  эквивалентно \((6)\).

Популярные репетиторы:

Рейтинг 5 из 5: 45 отзывов
 
Когда еще учился в аспирантуре, я грезил собрать воедино 2 моих основных увлечений: Математику, Информатику и Обучение, c самого начала своего продвижения по службе.

Безупречный математик для школьников и студентов, PhD, педагогический стаж более 18 лет, безотложно   подготовит учащихся к экзамену ЕГЭ по математике в 10 класс с помощью особо успешных технологий по усовершенствованию памяти и   умственной работы . 

Участвует в ведущих научных симпозиумах NIPS, ICCV и ACL . Впечатляюще поработал по развитию в онлайн-компании по Нейросетям и Data Science. В свободное время программирует на Elexir, Lisp и Ruby. Консультирование по математическим пакетам Sage, Mathematica и Microsoft Mathematics .

Занятия ведутся по TeamViewer и локально в Москве м. Китай-город. Более 320 учащихся  поступили «на бюджет» в ВУЗы Москвы: МАИ, ВШЭ, Школа Анализа Данных Яндекса и МЭИ и многие другие. Опыт преподавателя по математике для абитуриентов более 20 лет. Hij spreekt Nederlands.

Запись на занятия

Ваше сообщение отправлено