Раздел II. Предел и непрерывность функции — § 9. Предел функции

Кудрявцев — задача 9.29

Л. Д. Кудрявцев, «Сборник задач по математическому анализу. Том 1». Условие, подробное решение и ответ.

Задача 9.29

Найти пределы:
1) lim⁡x→0sin⁡3xx\lim_{x \to 0} \dfrac{\sin3x}{x};
2) lim⁡x→0tg⁡4xsin⁡x\lim_{x \to 0} \dfrac{\operatorname{tg}4x}{\sin x};
3) lim⁡x→0xctg⁡5x\lim_{x \to 0} x\operatorname{ctg}5x;
4) lim⁡x→0sin⁡αxsin⁡βx, β≠0\lim_{x \to 0} \dfrac{\sin\alpha x}{\sin\beta x},\ \beta\ne0;
5) lim⁡x→0sin⁡xsin⁡6x−sin⁡7x\lim_{x \to 0} \dfrac{\sin x}{\sin6x-\sin7x};
6) lim⁡x→0(2sin⁡2xsin⁡x−1sin⁡2x)\lim_{x \to 0} \left(\dfrac{2}{\sin2x\sin x}-\dfrac{1}{\sin^2x}\right);
7) lim⁡x→0cos⁡3x3−1sin⁡62x\lim_{x \to 0} \dfrac{\cos3x^3-1}{\sin^6 2x};
8) lim⁡x→04sin⁡(π/6+x)sin⁡(π/6+2x)−1sin⁡x\lim_{x \to 0} \dfrac{4\sin(\pi/6+x)\sin(\pi/6+2x)-1}{\sin x};
9) lim⁡x→0tg⁡(1+x)tg⁡(1−x)−tg⁡21tg⁡2x\lim_{x \to 0} \dfrac{\operatorname{tg}(1+x)\operatorname{tg}(1-x)-\operatorname{tg}^2 1}{\operatorname{tg}^2 x}.
Ответ:1) 3;1)\ 3;
2) 4;2)\ 4;
3) 15;3)\ \dfrac15;
4) αβ;4)\ \dfrac{\alpha}{\beta};
5) −1;5)\ -1;
6) 12;6)\ \dfrac12;
7) −9128;7)\ -\dfrac{9}{128};
8) 33;8)\ 3\sqrt3;
9) tg⁡41−19)\ \operatorname{tg}^4 1-1

Решение

sin⁡3xx=3⋅sin⁡3x3x.\dfrac{\sin3x}{x}
=
3\cdot\dfrac{\sin3x}{3x}.
Используем первый замечательный предел lim⁡u→0sin⁡uu=1\lim_{u\to0}\frac{\sin u}{u}=1. Поэтому предел равен 33.
tg⁡4xsin⁡x=sin⁡4xcos⁡4xsin⁡x==4cos⁡4x⋅sin⁡4x4x⋅xsin⁡x.\begin{aligned}
\dfrac{\operatorname{tg}4x}{\sin x}
&=
\dfrac{\sin4x}{\cos4x\sin x} = \\
&=
\dfrac{4}{\cos4x}\cdot
\dfrac{\sin4x}{4x}\cdot
\dfrac{x}{\sin x}.
\end{aligned}
При x→0x\to0: cos⁡4x→1\cos4x\to1, sin⁡4x4x→1\frac{\sin4x}{4x}\to1, xsin⁡x→1\frac{x}{\sin x}\to1. Следовательно, предел равен 44.
xctg⁡5x=xcos⁡5xsin⁡5x==15cos⁡5x⋅5xsin⁡5x.\begin{aligned}
x\operatorname{ctg}5x
&=
\dfrac{x\cos5x}{\sin5x} = \\
&=
\dfrac15\cos5x\cdot
\dfrac{5x}{\sin5x}.
\end{aligned}
При x→0x\to0: cos⁡5x→1\cos5x\to1, 5xsin⁡5x→1\frac{5x}{\sin5x}\to1. Поэтому предел равен 15\dfrac15.
Если α=0\alpha=0, числитель равен 00, предел равен 00. Если α≠0\alpha\ne0, преобразуем:sin⁡αxsin⁡βx=αβ⋅sin⁡αxαx⋅βxsin⁡βx.\begin{aligned}
\dfrac{\sin\alpha x}{\sin\beta x}
&=
\dfrac{\alpha}{\beta}\cdot
\dfrac{\sin\alpha x}{\alpha x}\cdot
\dfrac{\beta x}{\sin\beta x}.
\end{aligned}
При x→0x\to0 обе дроби стремятся к 11, поэтому предел равен αβ\dfrac{\alpha}{\beta}. Эта формула верна и при α=0\alpha=0.
Используем формулу разности синусов:sin⁡6x−sin⁡7x=2cos⁡13x2sin⁡−x2==−2cos⁡13x2sin⁡x2.\begin{aligned}
\sin6x-\sin7x
&=
2\cos\dfrac{13x}{2}\sin\dfrac{-x}{2} = \\
&=
-2\cos\dfrac{13x}{2}\sin\dfrac{x}{2}.
\end{aligned}
Тогдаsin⁡xsin⁡6x−sin⁡7x=sin⁡x−2cos⁡13x2sin⁡x2==−12cos⁡13x2⋅sin⁡xx⋅x/2sin⁡(x/2)⋅2.\begin{aligned}
\dfrac{\sin x}{\sin6x-\sin7x}
&=
\dfrac{\sin x}{-2\cos\dfrac{13x}{2}\sin\dfrac{x}{2}} = \\
&=
-\dfrac{1}{2\cos\dfrac{13x}{2}}\cdot
\dfrac{\sin x}{x}\cdot
\dfrac{x/2}{\sin(x/2)}\cdot2.
\end{aligned}
При x→0x\to0 все множители стремятся к 11, поэтому предел равен −1-1.
Так как sin⁡2x=2sin⁡xcos⁡x\sin2x=2\sin x\cos x, имеем2sin⁡2xsin⁡x=22sin⁡xcos⁡xsin⁡x==1cos⁡xsin⁡2x.\begin{aligned}
\dfrac{2}{\sin2x\sin x}
&=
\dfrac{2}{2\sin x\cos x\sin x} = \\
&=
\dfrac{1}{\cos x\sin^2x}.
\end{aligned}
Следовательно,1cos⁡xsin⁡2x−1sin⁡2x=1−cos⁡xcos⁡xsin⁡2x.\begin{aligned}
\dfrac{1}{\cos x\sin^2x}-\dfrac{1}{\sin^2x}
&=
\dfrac{1-\cos x}{\cos x\sin^2x}.
\end{aligned}
Далее 1−cos⁡x=2sin⁡2x21-\cos x=2\sin^2\dfrac{x}{2}. Поэтому1−cos⁡xcos⁡xsin⁡2x=2cos⁡x(sin⁡(x/2)sin⁡x)2.\begin{aligned}
\dfrac{1-\cos x}{\cos x\sin^2x}
&=
\dfrac{2}{\cos x}\left(\dfrac{\sin(x/2)}{\sin x}\right)^2.
\end{aligned}
Преобразуем:sin⁡(x/2)sin⁡x=sin⁡(x/2)x/2⋅x/2x⋅xsin⁡x==12⋅sin⁡(x/2)x/2⋅xsin⁡x.\begin{aligned}
\dfrac{\sin(x/2)}{\sin x}
&=
\dfrac{\sin(x/2)}{x/2}\cdot
\dfrac{x/2}{x}\cdot
\dfrac{x}{\sin x} = \\
&=
\dfrac12\cdot
\dfrac{\sin(x/2)}{x/2}\cdot
\dfrac{x}{\sin x}.
\end{aligned}
При x→0x\to0 это выражение стремится к 12\dfrac12. Квадрат стремится к 14\dfrac14. Следовательно, предел равен 21⋅14=12\dfrac{2}{1}\cdot\dfrac14=\dfrac12.
Используем 1−cos⁡y=2sin⁡2y21-\cos y=2\sin^2\dfrac{y}{2}. Тогдаcos⁡3x3−1=−2sin⁡23x32.\cos3x^3-1
=
-2\sin^2\dfrac{3x^3}{2}.
Получаемcos⁡3x3−1sin⁡62x=−2sin⁡2(3x3/2)sin⁡62x.\dfrac{\cos3x^3-1}{\sin^6 2x}
=
\dfrac{-2\sin^2(3x^3/2)}{\sin^6 2x}.
Далееsin⁡2(3x3/2)sin⁡62x=(sin⁡(3x3/2)sin⁡2x)21sin⁡42x.\begin{aligned}
\dfrac{\sin^2(3x^3/2)}{\sin^6 2x}
&=
\left(\dfrac{\sin(3x^3/2)}{\sin2x}\right)^2
\dfrac{1}{\sin^4 2x}.
\end{aligned}
Находимsin⁡(3x3/2)sin⁡2x=sin⁡(3x3/2)3x3/2⋅3x3/22x⋅2xsin⁡2x==3x24⋅sin⁡(3x3/2)3x3/2⋅2xsin⁡2x.\begin{aligned}
\dfrac{\sin(3x^3/2)}{\sin2x}
&=
\dfrac{\sin(3x^3/2)}{3x^3/2}\cdot
\dfrac{3x^3/2}{2x}\cdot
\dfrac{2x}{\sin2x} = \\
&=
\dfrac{3x^2}{4}\cdot
\dfrac{\sin(3x^3/2)}{3x^3/2}\cdot
\dfrac{2x}{\sin2x}.
\end{aligned}
Квадрат:9x416(sin⁡(3x3/2)3x3/2)2(2xsin⁡2x)2.\dfrac{9x^4}{16}
\left(\dfrac{\sin(3x^3/2)}{3x^3/2}\right)^2
\left(\dfrac{2x}{\sin2x}\right)^2.
Также1sin⁡42x=1(2x)4(2xsin⁡2x)4=116x4(2xsin⁡2x)4.\dfrac{1}{\sin^4 2x}
=
\dfrac{1}{(2x)^4}
\left(\dfrac{2x}{\sin2x}\right)^4
=
\dfrac{1}{16x^4}
\left(\dfrac{2x}{\sin2x}\right)^4.
Подставляем:cos⁡3x3−1sin⁡62x=−2⋅9x416⋅116x4⋅(sin⁡(3x3/2)3x3/2)2(2xsin⁡2x)6==−18256(sin⁡(3x3/2)3x3/2)2(2xsin⁡2x)6.\begin{aligned}
\dfrac{\cos3x^3-1}{\sin^6 2x}
&=
-2\cdot
\dfrac{9x^4}{16}
\cdot
\dfrac{1}{16x^4}
\cdot
\left(\dfrac{\sin(3x^3/2)}{3x^3/2}\right)^2
\left(\dfrac{2x}{\sin2x}\right)^6 = \\
&=
-\dfrac{18}{256}
\left(\dfrac{\sin(3x^3/2)}{3x^3/2}\right)^2
\left(\dfrac{2x}{\sin2x}\right)^6.
\end{aligned}
При x→0x\to0 оба отношения стремятся к 11, поэтому предел равен −18256=−9128-\dfrac{18}{256}=-\dfrac{9}{128}.
Преобразуем числитель. По формуле произведения синусов:4sin⁡(π/6+x)sin⁡(π/6+2x)=2[cos⁡x−cos⁡(π/3+3x)].4\sin(\pi/6+x)\sin(\pi/6+2x)
=
2\left[\cos x-\cos(\pi/3+3x)\right].
Тогда числитель равен 2cos⁡x−2cos⁡(π/3+3x)−12\cos x-2\cos(\pi/3+3x)-1. Используем разложение:cos⁡(π/3+3x)=12cos⁡3x−32sin⁡3x.\cos(\pi/3+3x)
=
\dfrac12\cos3x-\dfrac{\sqrt3}{2}\sin3x.
Следовательно,2cos⁡(π/3+3x)=cos⁡3x−3sin⁡3x.\begin{aligned}
2\cos(\pi/3+3x)
&=
\cos3x-\sqrt3\sin3x.
\end{aligned}
Поэтому числитель:2cos⁡x−cos⁡3x+3sin⁡3x−1.2\cos x-\cos3x+\sqrt3\sin3x-1.Далее cos⁡3x=4cos⁡3x−3cos⁡x\cos3x=4\cos^3x-3\cos x, значит,2cos⁡x−cos⁡3x−1=2cos⁡x−(4cos⁡3x−3cos⁡x)−1==5cos⁡x−4cos⁡3x−1.\begin{aligned}
2\cos x-\cos3x-1
&=
2\cos x-(4\cos^3x-3\cos x)-1 = \\
&=
5\cos x-4\cos^3x-1.
\end{aligned}
Разложим на множители:5cos⁡x−4cos⁡3x−1=(1−cos⁡x)(4cos⁡2x+4cos⁡x−1).5\cos x-4\cos^3x-1
=
(1-\cos x)(4\cos^2x+4\cos x-1).
Итак, исходное выражение:(1−cos⁡x)(4cos⁡2x+4cos⁡x−1)+3sin⁡3xsin⁡x.\begin{aligned}
&\dfrac{(1-\cos x)(4\cos^2x+4\cos x-1)+\sqrt3\sin3x}{\sin x}.
\end{aligned}
Первое слагаемое:1−cos⁡xsin⁡x=2sin⁡2(x/2)2sin⁡(x/2)cos⁡(x/2)=tg⁡x2→0.\dfrac{1-\cos x}{\sin x}
=
\dfrac{2\sin^2(x/2)}{2\sin(x/2)\cos(x/2)}
=
\operatorname{tg}\dfrac{x}{2}
\to0.
Второе слагаемое:3sin⁡3xsin⁡x=33⋅sin⁡3x3x⋅xsin⁡x→33.\sqrt3\dfrac{\sin3x}{\sin x}
=
3\sqrt3\cdot
\dfrac{\sin3x}{3x}\cdot
\dfrac{x}{\sin x}
\to
3\sqrt3.
Следовательно, предел равен 0+33=330+3\sqrt3=3\sqrt3.

Проверка

9. Используем формулы тангенса суммы и разности:tg⁡(1+x)=tg⁡1+tg⁡x1−tg⁡1tg⁡x,tg⁡(1−x)=tg⁡1−tg⁡x1+tg⁡1tg⁡x.\operatorname{tg}(1+x)
=
\dfrac{\operatorname{tg}1+\operatorname{tg}x}
{1-\operatorname{tg}1\operatorname{tg}x},
\qquad
\operatorname{tg}(1-x)
=
\dfrac{\operatorname{tg}1-\operatorname{tg}x}
{1+\operatorname{tg}1\operatorname{tg}x}.
Перемножим:tg⁡(1+x)tg⁡(1−x)=tg⁡21−tg⁡2x1−tg⁡21tg⁡2x.\operatorname{tg}(1+x)\operatorname{tg}(1-x)
=
\dfrac{\operatorname{tg}^2 1-\operatorname{tg}^2 x}
{1-\operatorname{tg}^2 1\operatorname{tg}^2 x}.
Вычитаем tg⁡21\operatorname{tg}^2 1:tg⁡21−tg⁡2x1−tg⁡21tg⁡2x−tg⁡21==tg⁡2x(tg⁡41−1)1−tg⁡21tg⁡2x.\begin{aligned}
&\dfrac{\operatorname{tg}^2 1-\operatorname{tg}^2 x}
{1-\operatorname{tg}^2 1\operatorname{tg}^2 x}
-\operatorname{tg}^2 1 = \\
&=
\dfrac{\operatorname{tg}^2 x(\operatorname{tg}^4 1-1)}
{1-\operatorname{tg}^2 1\operatorname{tg}^2 x}.
\end{aligned}
Делим на tg⁡2x\operatorname{tg}^2 x:tg⁡(1+x)tg⁡(1−x)−tg⁡21tg⁡2x=tg⁡41−11−tg⁡21tg⁡2x.\dfrac{\operatorname{tg}(1+x)\operatorname{tg}(1-x)-\operatorname{tg}^2 1}
{\operatorname{tg}^2 x}
=
\dfrac{\operatorname{tg}^4 1-1}
{1-\operatorname{tg}^2 1\operatorname{tg}^2 x}.
При x→0x\to0: tg⁡2x→0\operatorname{tg}^2 x\to0. Следовательно, предел равен tg⁡41−1\operatorname{tg}^4 1-1.