极限的基本性质

数列极限的基本性质

定理 1.1:极限的不等式性质

设 $\lim_{n \to \infty} x_{n} = a$, $\lim_{n \to \infty} y_{n} = b$.

推论:

(1)若 $a > b$, 则 $\exists N$, 当 $n > N$ 时有 $x_{n} > y_{n}$;

(2)若 $n > N$ 时 $x_{n} \geqslant y_{n}$, 则 $a \geqslant b$.

定理 1.2:收敛数列的有界性

若数列 $\left\{ x_{n} \right\}$ 收敛,则数列 $\left\{ x_{n} \right\}$ 有界.

所谓“有界”就是指:$\exists$ 常数 $M > 0$, $\left| x_{n} \right| \leqslant M$, $n = 1, 2, 3, \cdots$.

函数极限的基本性质

定理 1.3:极限的不等式性质

设 $\lim_{x \to x_{0}} f \left( x \right) = A$, $\lim_{x \to x_{0}} g \left( x \right) = B$, 则:

(1)若 $A > B$, 则 $\exists \delta > 0$ 使得当 $0 < \left| x – x_{0} \right| < \delta$ 时有 $f \left( x \right) > g \left( x \right)$;

(2)若 $\exists \delta > 0$, 使得当 $0 < \left| x – x_{0} \right| < \delta$ 时有 $f \left( x \right) \geqslant g \left( x \right)$,则 $A \geqslant B$;

(3)若 $\exists \delta > 0$, 使得当 $0 < \left| x – x_{0} \right| < \delta$ 时有 $f \left( x \right) > g \left( x \right)$,则 $A \geqslant B$.

推论(极限的保号性):

设 $\lim_{x \to x_{0}} f \left( x \right) = A$, 则:

(1)若 $A > 0$, 则 $\exists \delta > 0$ 使得当 $0 < \left| x – x_{0} \right| < \delta$ 时有 $f \left( x \right) > 0$;

(2)若 $\exists \delta > 0$,使得当 $0 < \left| x – x_{0} \right| < \delta$ 时有 $f \left( x \right) \geqslant 0$,则 $A \geqslant 0$.

定理 1.4:存在极限的函数局部有界性

设存在极限 $\lim_{x \to x_{0}} f \left( x \right) = A$,则 $f \left( x \right)$ 在 $x_{0}$ 的某空心邻域 $U_{0} \left( x_{0}, \delta \right) = \left\{ x \mid 0 < \left| x – x_{0} \right| < \delta \right\}$ 内有界,即 $\exists \delta > 0$ 与 $M > 0$,使得当 $0 < \left| x – x_{0} \right| < \delta$ 时有 $\left| f \left( x \right) \right| \leqslant M$.

推论:

其他类似的极限过程,如 $x \to x_{0^{+}}$, $x \to x_{0^{- }}$, $x \to +\infty$ 和 $x \to -\infty$ 等也有与上面的“定理 1.4”类似的结论.


荒原之梦考研数学思维导图
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二次型全面深度解析

一、前言

在本文中,「荒原之梦考研数学」将对什么是二次型、二次型的本质、二次型与实对称矩阵之间的关系、常用的化二次型为标准型的方法等,做一个全面且深度的解析,帮助同学们更加深入地理解考研线性代数中的二次型.

继续阅读“二次型全面深度解析”

二次型的可逆线性换元(变量替换)与矩阵的合同

一、前言

二次型的可逆线性换元(变量替换)本质上就是求原矩阵的合同矩阵,在本文中,「荒原之梦考研数学」就通过定义来说明为什么是这样的.

继续阅读“二次型的可逆线性换元(变量替换)与矩阵的合同”

为什么任意一个矩阵都可以写成一个对称矩阵和一个斜对称矩阵之和?

一、前言

对于方阵而言,如果一个矩阵的元素关于主对角线对称位置对应相等,这个矩阵就被称为“对称矩阵”,如果一个矩阵的元素关于主对角线对称位置对称正负相反,这个矩阵就被称为“斜对称矩阵”.

在本文中,「荒原之梦考研数学」就基于转置矩阵的性质,为同学们讲解清楚:为什么任意一个矩阵都可以写成一个对称矩阵和一个斜对称矩阵之和?

继续阅读“为什么任意一个矩阵都可以写成一个对称矩阵和一个斜对称矩阵之和?”

实对称矩阵的性质及其二次型

§1. 什么是实对称矩阵?

要定义实对称矩阵,我们首先需要知道什么是对称矩阵——

设 $\boldsymbol{A} = \left( a_{ij} \right)_{n \times n}$ 是一个 $n$ 阶方阵,如果矩阵 $\boldsymbol{A}$ 满足 $\boldsymbol{A}^{\top} = \boldsymbol{A}$, 那么就称 $\boldsymbol{A}$ 是对称矩阵.

也就是说,一个对称矩阵,指的就是关于主对角线对称,主对角线两边对应位置的元素相等的矩阵:

$$
\boldsymbol{A}^{\top} = \boldsymbol{A} \iff a_{ij} = a_{ji} \quad \left( \forall i, j \right)
$$

例如,下面的矩阵就是一个对称矩阵:

$$
\boldsymbol{A} = \left( \begin{matrix} 1 & 2 & 3 \\ 2 & 4 & 5 \\ 3 & 5 & 6 \end{matrix} \right)
$$

因为 $a_{12} = a_{21} = 2$, $a_{13} = a_{31} = 3$, $a_{23} = a_{32} = 5$.

基于上面的定义,我们就可以定义什么是实对称矩阵——

如果一个对称矩阵的所有元素都是实数,就称它为实对称矩阵.

考研数学中的对称矩阵,一般就是实对称矩阵.

§2. 实对称矩阵的重要性质

  1. 实对称矩阵的特征值都是实数

需要注意的是,实对称矩阵主对角线上的元素不一定是其特征值,或者说,实对称矩阵主对角线上的元素与实对称矩阵的特征值之间没有必然的关系.

  1. 实对称矩阵不同特征值对应的特征向量正交

若特征值 $\lambda_{1} \neq \lambda_{2}$, 且这两个特征值对应的征向量分别为 $\boldsymbol{\alpha}, \boldsymbol{\beta}$,则:

$$
\boldsymbol{\alpha}^{\top} \boldsymbol{\beta} = 0
$$

  1. 实对称矩阵一定可以正交对角化

若 $\boldsymbol{A}$ 是实对称矩阵,则存在正交矩阵 $\boldsymbol{Q}$, 使得:

$$
\boldsymbol{Q}^{\top} \boldsymbol{A} \boldsymbol{Q} = \boldsymbol{\Lambda}
$$

其中 $\boldsymbol{\Lambda}$ 是对角矩阵,即:

$$
\boldsymbol{\Lambda} = \mathrm{diag} \left( \lambda_{1}, \lambda_{2}, \dots, \lambda_{n} \right)
$$

§3. 实对称矩阵与二次型的关系

若 $n$ 阶矩阵 $\boldsymbol{A}$ 是对称矩阵,则其对应的二次型为:

$$
f \left( \boldsymbol{x} \right) = \sum_{i=1}^{n} a_{ii} x_{i}^{2} + 2 \sum_{1 \le i < j \le n} a_{ij} x_{i} x_{j}
$$

注意:交叉项 $a_{ij} x_{i} x_{j}$ 前面的系数之所以是 $2$, 是因为 $a_{ij} x_{i} x_{j}$ 和 $a_{ji} x_{j} x_{i}$ 合并了,且 $a_{ij} = a_{ji}$.

例如,对于一个 $3$ 阶的实对称矩阵:

$$
\boldsymbol{A} = \left( \begin{matrix} a & d & e \\ d & b & f \\ e & f & c \end{matrix} \right)
$$

其对应二次型为:

$$
f \left( x_{1}, x_{2}, x_{3} \right) = a x_{1}^{2} + b x_{2}^{2} + c x_{3}^{2} + 2 d x_{1} x_{2} + 2 e x_{1} x_{3} + 2 f x_{2} x_{3}
$$

如果要进一步求解实对称矩阵对应的二次型的标准型,也就是将二次型转换为只含平方项、不含交叉项的形式,则需要求解出实对称矩阵的特征值 $\lambda_{1}, \lambda_{2}, \dots, \lambda_{n}$, 此时,该实对称矩阵的二次型的标准型就是:

$$
f = \lambda_{1} y_{1}^{2} + \lambda_{2} y_{2}^{2} + \dots + \lambda_{n} y_{n}^{2}
$$


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如何由平面曲线函数得到其绕指定轴线旋转所得曲面的函数?

一、前言

在本文中,「荒原之梦考研数学」将以下面的平面曲线函数为例,计算其绕不同的常见旋转轴旋转所得的曲面对应的函数表达式:

$$
y = \frac{1}{1 + x^{2}}
$$

函数 $y = \frac{1}{1 + x^{2}}$ 在二维直角坐标系中的函数图像如图 00 所示:

如何由平面曲线函数得到其绕指定轴线旋转所得曲面的函数?| 荒原之梦考研数学 | 图 00.
图 00.
继续阅读“如何由平面曲线函数得到其绕指定轴线旋转所得曲面的函数?”

掌握这个拆分法,再复杂的极限题也能各个击破!

题目 1

$$
I = \lim_{x \to 0} \frac{\cos(\tan x) – 1 – \ln(\cos x)}{x(x – \arctan x)}
$$

难度评级:

解析 1

需要用到的公式($x \to 0$):

$$
\begin{aligned}
& x – \arctan x \sim \frac{1}{3}x^{3} \\ \\
& f(b) – f(a) = (b – a) \cdot f^{\prime}(\xi) \\ \\
& \ln(1+x) = x – \frac{1}{2}x^{2} + \frac{1}{3}x^{3} + \cdots \\ \\
& u – \ln(1+u) \sim \frac{1}{2} u^{2}, \ u \to 0 \\ \\
& \cos x – 1 \sim -\frac{1}{2}x^{2}
\end{aligned}
$$

先处理分母部分,根据麦克劳林公式:

$$
\begin{aligned}
& \ \arctan x = x – \frac{1}{3}x^{3} + o(x^{3}) \\ \\
\textcolor{lightgreen}{ \leadsto } & \ x – \arctan x = \frac{1}{3}x^{3} + o(x^{3}) \sim \frac{1}{3}x^{3} \\ \\
\textcolor{lightgreen}{ \leadsto } & \ x(x – \arctan x) \sim x \cdot \frac{1}{3}x^{3} \sim \frac{1}{3}x^{4}
\end{aligned}
$$

接着,为了在原式中使用拉格朗日中值定理,我们在分子中加减一项 $\cos x$, 即:

$$
\begin{aligned}
I & = \lim_{x \to 0} \frac{\cos(\tan x) – 1 – \ln(\cos x)}{\frac{1}{3}x^{4}} \\ \\
& = 3 \lim_{x \to 0} \frac{\cos(\tan x) – \cos x + \cos x – 1 – \ln(\cos x)}{x^{4}} \\ \\
& = 3 \lim_{x \to 0} \frac{\cos(\tan x) – \cos x}{x^{4}} + 3 \lim_{x \to 0} \frac{\cos x – 1 – \ln(\cos x)}{x^{4}} \\ \\
\end{aligned}
$$

于是,由拉格朗日中值定理,可知:

$$
\begin{aligned}
I_{1} & = \lim_{x \to 0} \frac{\cos(\tan x) – \cos x}{x^{4}} \\ \\
& = \lim_{x \to 0} \frac{(\tan x – x) \cdot (-\sin \xi)}{x^{4}}
\end{aligned}
$$

其中,$\xi$ 介于 $x$ 和 $\tan x$ 之间,当 $x \to 0$ 时,$\tan x \sim x$, 因此,$\xi \sim x$, 于是:

$$
I_{1} = \lim_{x \to 0} \frac{(\frac{1}{3}x^{3}) \cdot (-x)}{x^{4}} = \frac{-1}{3}
$$

接着,由等价无穷小替换与泰勒展开可知:

$$
\begin{aligned}
I_{2} & = \lim_{x \to 0} \frac{\cos x – 1 – \ln(\cos x)}{x^{4}} \\ \\
& = \lim_{x \to 0} \frac{(\cos x – 1) – \ln(1 + (\cos x – 1))}{x^{4}}
\end{aligned}
$$

于是,令 $u = \cos x – 1$, 则由前面的补充知识点可知,$u – \ln(1+u) \sim \frac{1}{2}u^{2}$, 因此:

$$
\begin{aligned}
I_{2} & = \lim_{x \to 0} \frac{\frac{1}{2}(\cos x – 1)^{2}}{x^{4}} \\ \\
& = \lim_{x \to 0} \frac{\frac{1}{2} \left( \frac{-1}{2}x^{2} \right)^{2}}{x^{4}} \\ \\
& = \frac{1}{8}
\end{aligned}
$$

综上可知:

$$
\begin{aligned}
I & = 3(I_{1} + I_{2}) \\ \\
& = 3 \left(\frac{-1}{3} + \frac{1}{8}\right) \\ \\
& = 3 \left(\frac{-5}{24}\right) \\ \\
& = \frac{-5}{8}
\end{aligned}
$$

题目 2

$$
I = \lim_{x \to 0} \frac{\mathrm{e}^{\sin^{2} x} – \sqrt{1 + 2x^{2}}}{\ln(1 + x^{2}) – \sin^{2} x}
$$

难度评级:

解析 2

需要用到的公式($x \to 0$):

$$
\begin{aligned}
& \ln(1+x) = x – \frac{1}{2}x^{2} + \cdots \\ \\
& (1+x)^\alpha = 1 + \alpha x + \frac{\alpha(\alpha-1)}{2}x^{2} + \cdots \\ \\
& \sqrt{1+x} = 1 + \frac{1}{2}x – \frac{1}{8}x^{2} + \cdots \\ \\
& \sin x = x – \frac{1}{6}x^{3} + \cdots \\ \\
& \mathrm{e}^{x} = 1 + x + \frac{1}{2}x^{2} + \cdots
\end{aligned}
$$

首先处理分母部分,通过麦克劳林公式展开到 $x^{4}$ 阶:

$$
\begin{aligned}
& \ \begin{cases} \ln(1 + x^{2}) = x^{2} – \frac{1}{2}x^{4} + o(x^{4}) \\ \\
\sin^{2} x = (x – \frac{1}{6}x^{3})^{2} = x^{2} – \frac{1}{3}x^{4} + o(x^{4}) \end{cases} \\ \\
\textcolor{lightgreen}{ \leadsto } & \ \ln(1 + x^{2}) – \sin^{2} x = \left(-\frac{1}{2} + \frac{1}{3}\right)x^{4} + o(x^{4}) \sim \frac{-1}{6}x^{4}
\end{aligned}
$$

接着,对原式进行拆分:

$$
\begin{aligned}
I & = \lim_{x \to 0} \frac{\mathrm{e}^{\sin^{2} x} – \sqrt{1 + 2x^{2}}}{-\frac{1}{6}x^{4}} \\ \\
& = -6 \lim_{x \to 0} \frac{\mathrm{e}^{\sin^{2} x} – \mathrm{e}^{x^{2}} + \mathrm{e}^{x^{2}} – \sqrt{1 + 2x^{2}}}{x^{4}} \\ \\
& = -6 \left[ \lim_{x \to 0} \frac{\mathrm{e}^{\sin^{2} x} – \mathrm{e}^{x^{2}}}{x^{4}} + \lim_{x \to 0} \frac{\mathrm{e}^{x^{2}} – \sqrt{1 + 2x^{2}}}{x^{4}} \right]
\end{aligned}
$$

于是,由拉格朗日中值定理,可知:

$$
\begin{aligned}
I_{1} & = \lim_{x \to 0} \frac{\mathrm{e}^{\sin^{2} x} – \mathrm{e}^{x^{2}}}{x^{4}} \\ \\
& = \lim_{x \to 0} \frac{(\sin^{2} x – x^{2}) \cdot \mathrm{e}^\xi}{x^{4}}
\end{aligned}
$$

由于 $\xi$ 介于 $\sin^{2} x$ 和 $x^{2}$ 之间,当 $x \to 0$ 时,$\xi \to 0$, 所以 $\mathrm{e}^\xi \to 1$, 于是:

$$
\begin{aligned}
\sin^{2} x – x^{2} & = (\sin x – x)(\sin x + x) \\ \\
& \sim \left(-\frac{1}{6}x^{3}\right) \cdot (2x) \\ \\
& \sim -\frac{1}{3}x^{4}
\end{aligned}
$$

所以:

$$
I_{1} = \lim_{x \to 0} \frac{-\frac{1}{3}x^{4} \cdot 1}{x^{4}} = -\frac{1}{3}
$$

接着,令:

$$
I_{2} = \lim_{x \to 0} \frac{\mathrm{e}^{x^{2}} – \sqrt{1 + 2x^{2}}}{x^{4}}
$$

又由泰勒展开,分别将两项展开至 $x^{4}$ 阶,可得:

$$
\begin{aligned}
\mathrm{e}^{x^{2}} & = 1 + x^{2} + \frac{1}{2}(x^{2})^{2} + o(x^{4}) \\ \\ & = 1 + x^{2} + \frac{1}{2}x^{4} + o(x^{4}) \\ \\
\sqrt{1 + 2x^{2}} & = 1 + \frac{1}{2}(2x^{2}) – \frac{1}{8}(2x^{2})^{2} + o(x^{4}) \\ \\ &= 1 + x^{2} – \frac{1}{2}x^{4} + o(x^{4})
\end{aligned}
$$

于是:

$$
\begin{aligned}
\mathrm{e}^{x^{2}} – \sqrt{1 + 2x^{2}} & = \left(1 + x^{2} + \frac{1}{2}x^{4}\right) – \left(1 + x^{2} – \frac{1}{2}x^{4}\right) + o(x^{4}) \\ \\ & \sim x^{4}
\end{aligned}
$$

因此:

$$
I_{2} = \lim_{x \to 0} \frac{x^{4}}{x^{4}} = 1
$$

综上可得:

$$
\begin{aligned}
I & = -6(I_{1} + I_{2}) = -6\left(-\frac{1}{3} + 1\right) \\ \\
& = -6 \cdot \frac{2}{3} \\ \\
& = -4
\end{aligned}
$$

题目 3

$$
I = \lim_{x \to 0} \frac{\cos(\sin x) – \mathrm{e}^{\cos x – 1}}{\tan^{2} x – \sin^{2} x}
$$

难度评级:

解析 3

需要用到的公式($x \to 0$):

$$
\begin{aligned}
& x + x^{3} \sim x \\ \\
& f(b) – f(a) = (b – a) \cdot f^{\prime}(\xi) \\ \\
& \mathrm{e}^{x} = 1 + x + \frac{x^{2}}{2} + \frac{x^{3}}{3!} + \cdots \\ \\
& \mathrm{e}^{x} – 1 \sim x \\ \\
& \mathrm{e}^{x} – 1 – x \sim \frac{x^{2}}{2} \\ \\
& \mathrm{e}^{\square} – 1 – \square \sim \frac{\square^{2}}{2}, \ \square \to 0
\end{aligned}
$$

首先对分母进行处理,得:

$\tan^{2} x – \sin^{2} x = (\tan x – \sin x)(\tan x + \sin x)$

接着, 通过泰勒公式(麦克劳林公式)展开,得:

$$
\begin{cases}
\tan x = x + \frac{1}{3}x^{3} + o(x^{3}) \\
\sin x = x – \frac{1}{6}x^{3} + o(x^{3})
\end{cases}
\Rightarrow
\begin{cases}
\tan x – \sin x = \frac{1}{2}x^{3} + o(x^{3}) \sim \frac{1}{2}x^{3} \\
\tan x + \sin x = 2x + o(x) \sim 2x
\end{cases}
$$

于是:

$$
\begin{aligned}
\tan^{2} x – \sin^{2} x & \sim \frac{1}{2}x^{3} \cdot 2x \\ \\
& = x^{4}
\end{aligned}
$$

于是,原式可化简为:

$$
\begin{aligned}
I & = \lim_{x \to 0} \frac{\cos(\sin x) – \mathrm{e}^{\cos x – 1}}{x^{4}} \\ \\
& = \lim_{x \to 0} \frac{\cos(\sin x) – \cos x + \cos x – \mathrm{e}^{\cos x – 1}}{x^{4}} \\ \\
& = \lim_{x \to 0} \frac{\cos(\sin x) – \cos x}{x^{4}} + \lim_{x \to 0} \frac{\cos x – \mathrm{e}^{\cos x – 1}}{x^{4}} \\ \\
\end{aligned}
$$

接着,由拉格朗日中值定理,可知:

$$
I_{1} = \lim_{x \to 0} \frac{\cos(\sin x) – \cos x}{x^{4}} = \lim_{x \to 0} \frac{(\sin x – x) \cdot (-\sin \xi)}{x^{4}}
$$

由于 $\xi$ 介于 $x$ 和 $\sin x$ 之间,当 $x \to 0$ 时,$\sin x \sim x$, 所以 $\xi \sim x$, 于是:

$$
I_{1} = \lim_{x \to 0} \frac{\left( \frac{-1}{6}x^{3} \right) \cdot (-x)}{x^{4}} = \frac{1}{6}
$$

又由泰勒公式展开,得:

$$
\begin{aligned}
I_{2} & = \lim_{x \to 0} \frac{\cos x – \mathrm{e}^{\cos x – 1}}{x^{4}} \\ \\
& = -\lim_{x \to 0} \frac{\mathrm{e}^{\cos x – 1} – \cos x}{x^{4}} \\ \\
& = -\lim_{x \to 0} \frac{\mathrm{e}^{\cos x – 1} – (\cos x – 1) – 1}{x^{4}} \\ \\
& = -\lim_{x \to 0} \frac{\frac{1}{2}(\cos x – 1)^{2}}{x^{4}} \\ \\
& = -\lim_{x \to 0} \frac{\frac{1}{2}(-\frac{1}{2}x^{2})^{2}}{x^{4}} = -\frac{1}{8}
\end{aligned}
$$

综上可得:

$$
\begin{aligned}
I & = I_{1} + I_{2} \\ \\
& = \frac{1}{6} – \frac{1}{8} \\ \\
& = \frac{4 – 3}{24} \\ \\
& = \frac{1}{24}
\end{aligned}
$$


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反常积分敛散性的三个常用公式及推导证明

一、前言

在本文中,「荒原之梦考研数学」将通过推导的方式,对形如 $\int_{a}^{b} \frac{1}{(x-a)^{p}} \mathrm{~d}x$, $\int_{a}^{+\infty} \frac{1}{x^{p}} \mathrm{~d}x$ 和 $\int_{a}^{+ \infty} \frac{1}{x \ln ^{p} x} \mathrm{~d} x$ 这样的反常积分的敛散性进行证明.

继续阅读“反常积分敛散性的三个常用公式及推导证明”

等价无穷小的“串联”使用

题目 1

$$
I_{1} = \lim_{x \rightarrow 0} \frac{1 – \cos x \cos 2x}{x^{2}} = ?
$$

解析 1

根据常用的等价无穷小公式,我们有:

$$
\begin{aligned}
I_{1} & = \lim_{x \rightarrow 0} \frac{1 – \cos x \cos 2x}{x^{2}} \\ \\
& = \lim_{x \rightarrow 0} \frac{1 – \cos x + \cos x – \cos x \cos 2x}{x^{2}} \\ \\
& = \lim_{x \rightarrow 0} \frac{1 – \cos x}{x^{2}} + \lim_{x \rightarrow 0} \frac{\cos x – \cos x \cos 2x}{x^{2}} \\ \\
& = \lim_{x \rightarrow 0} \frac{1 – \cos x}{x^{2}} + \lim_{x \rightarrow 0} \cos x \frac{1 – \cos 2x}{x^{2}} \\ \\
& = \lim_{x \rightarrow 0} \frac{\frac{1}{2} x^{2}}{x^{2}} + \lim_{x \rightarrow 0} \frac{\frac{1}{2} \left( 2x \right)^{2}}{x^{2}} \\ \\
& = \frac{1}{2} + 2 \\ \\
& = \textcolor{lightgreen}{ \frac{5}{2} }
\end{aligned}
$$

题目 2

$$
I_{2} = \lim_{x \rightarrow 0} \frac{\tan (\sin x) – x \cos x}{x^{3}} = ?
$$

解析 2

根据常用的等价无穷小公式,我们有:

$$
\begin{aligned}
I_{2} & = \lim_{x \rightarrow 0} \frac{\tan (\sin x) – x \cos x}{x^{3}} \\ \\
& = \lim_{x \rightarrow 0} \frac{\tan (\sin x) – \sin x + \sin x – x \cos x}{x^{3}} \\ \\
& = \lim_{x \rightarrow 0} \frac{\tan (\sin x) – \sin x}{x^{3}} + \lim_{x \rightarrow 0} \frac{\sin x – x \cos x}{x^{3}} \\ \\
& = \lim_{x \rightarrow 0} \frac{\tan (\sin x) – \sin x}{\sin ^{3} x} + \lim_{x \rightarrow 0} \frac{x – x \cos x}{x^{3}} \\ \\
& = \lim_{k \rightarrow 0} \frac{\tan k – k}{k ^{3}} + \lim_{x \rightarrow 0} \frac{1 – \cos x}{x^{2}} \\ \\
& = \lim_{k \rightarrow 0} \frac{\frac{1}{3} k^{3}}{k ^{3}} + \lim_{x \rightarrow 0} \frac{\frac{1}{2} x^{2}}{x^{2}} \\ \\
& = \frac{1}{3} + \frac{1}{2} \\ \\
& = \textcolor{lightgreen}{ \frac{5}{6} }
\end{aligned}
$$

题目 3

根据常用的等价无穷小公式,我们有:

$$
I_{3} = \lim_{x \rightarrow 0} \frac{\tan (\sin x) – \arcsin x}{x^{3}} = ?
$$

解析 3

$$
\begin{aligned}
I_{3} & = \lim_{x \rightarrow 0} \frac{\tan (\sin x) – \arcsin x}{x^{3}} \\ \\
& = \lim_{x \rightarrow 0} \frac{\tan (\sin x) – \sin x + \sin x – x + x – \arcsin x}{x^{3}} \\ \\
& = \lim_{x \rightarrow 0} \frac{\tan (\sin x) – \sin x}{x^{3}} + \lim_{x \rightarrow 0} \frac{\sin x – x}{x^{3}} + \lim_{x \rightarrow 0} \frac{x – \arcsin x}{x^{3}} \\ \\
& = \lim_{x \rightarrow 0} \frac{\tan (\sin x) – \sin x}{\sin ^{3} x} + \lim_{x \rightarrow 0} \frac{\sin x – x}{x^{3}} + \lim_{x \rightarrow 0} \frac{x – \arcsin x}{x^{3}} \\ \\
& = \lim_{k \rightarrow 0} \frac{\tan k – k}{k ^{3}} + \lim_{x \rightarrow 0} \frac{\sin x – x}{x^{3}} + \lim_{x \rightarrow 0} \frac{x – \arcsin x}{x^{3}} \\ \\
& = \lim_{k \rightarrow 0} \frac{\frac{1}{3} k^{3}}{k ^{3}} + \lim_{x \rightarrow 0} \frac{\frac{-1}{6} x^{3}}{x^{3}} + \lim_{x \rightarrow 0} \frac{\frac{-1}{6} x^{3}}{x^{3}} \\ \\
& = \frac{1}{3} – \frac{1}{6} – \frac{1}{6} \\ \\
& = \textcolor{lightgreen}{ 0 }
\end{aligned}
$$


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2026年考研数二第04题解析:定积分的物理应用

一、题目

难度评级:

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由方程式确定的隐函数求导公式的“实例递进式”推导

一、前言

对于一个二元隐函数(或者说二元方程式) $F(x, y) = 0$, $y = y(x)$ 而言,对 $x$ 求导(全导数)的公式的一般推导过程如下:

$$
\begin{aligned}
& F \left( x, y \right) = 0 \\ \\
\textcolor{lightgreen}{ \leadsto } \ & \frac{\mathrm{d} F \left( x, y \right)}{\mathrm{d} x} = 0 \\ \\
\textcolor{lightgreen}{ \leadsto } \ & \textcolor{orange}{ F^{\prime}_{x} \left( x, y \right) + F^{\prime}_{y} \left( x, y \right) \frac{\mathrm{d} y}{\mathrm{d} x} = 0 } \\ \\
\textcolor{lightgreen}{ \leadsto } \ & \frac{\mathrm{d} y}{\mathrm{d} x} = \frac{- F^{\prime}_{x} \left( x, y \right)}{F^{\prime}_{y} \left( x, y \right)}
\end{aligned}
$$

其中,$F^{\prime}_{y} \left( x, y \right) \neq 0$.

当然,我们也可以简写成下面的形式:

$$
\begin{aligned}
& F \left( x, y \right) = 0 \\ \\
\textcolor{lightgreen}{ \leadsto } \ & \frac{\mathrm{d} F}{\mathrm{d} x} = 0 \\ \\
\textcolor{lightgreen}{ \leadsto } \ & \textcolor{orange}{ F^{\prime}_{x} + F^{\prime}_{y} \frac{\mathrm{d} y}{\mathrm{d} x} = 0 } \\ \\
\textcolor{lightgreen}{ \leadsto } \ & \frac{\mathrm{d} y}{\mathrm{d} x} = \frac{- F^{\prime}_{x} }{F^{\prime}_{y} }
\end{aligned}
$$

其中,$F^{\prime}_{y} \neq 0$.

此外,还可以写成下面的形式:

$$
\begin{aligned}
& F \left( x, y \right) = 0 \\ \\
\textcolor{lightgreen}{ \leadsto } \ & \frac{\mathrm{d} F}{\mathrm{d} x} = 0 \\ \\
\textcolor{lightgreen}{ \leadsto } \ & \textcolor{orange}{ \frac{\partial F}{\partial x} + \frac{\partial F}{\partial y} \frac{\mathrm{d} y}{\mathrm{d} x} = 0 } \\ \\
\textcolor{lightgreen}{ \leadsto } \ & \frac{\mathrm{d} y}{\mathrm{d} x} = \frac{- \partial F / \partial x }{ \partial F / \partial x }
\end{aligned}
$$

其中,$\frac{\partial F}{\partial x} \neq 0$.

可以看到,要理解上面的公式,最主要的就是要理解 $\frac{\partial F}{\partial x}$ $+$ $\frac{\partial F}{\partial y} \frac{\mathrm{d} y}{\mathrm{d} x}$ $=$ $0$ 这个式子是怎么来的.

在本文中,「荒原之梦考研数学」将通过一些实例,以递进式的方式,为同学们讲清楚上面这个式子的由来.

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