求极限 lim _(xarrow 0)dfrac (ln (1+{x)^2)-ln (1+(sin )^2x)}(x{sin )^3x}

题目解答
答案

解析
考查要点:本题主要考查利用泰勒展开或等价无穷小替换求极限的能力,涉及对数函数的泰勒展开及多项式运算。
解题核心思路:
当$x \rightarrow 0$时,分子中的$\ln(1+x^2)$和$\ln(1+\sin^2x)$均可展开为泰勒多项式。通过展开并相减,化简分子,同时将分母$x \sin^3x$展开,比较分子分母的最高阶项,最终求得极限值。
破题关键点:
- 泰勒展开:对$\ln(1+t)$在$t \rightarrow 0$时展开,保留足够多的项以抵消分母的阶数。
- 化简分子:将分子中的两个对数展开后相减,消去低阶项,保留高阶项。
- 分母展开:将$\sin x$展开为泰勒多项式,计算$\sin^3x$并化简分母。
步骤1:展开分子中的对数函数
对$\ln(1+x^2)$展开:
$\ln(1+x^2) = x^2 - \frac{x^4}{2} + \frac{x^6}{3} + \cdots$
对$\ln(1+\sin^2x)$展开:
首先展开$\sin x$:
$\sin x = x - \frac{x^3}{6} + \frac{x^5}{120} + \cdots$
则$\sin^2x$展开为:
$\sin^2x = x^2 - \frac{x^4}{3} + \frac{2x^6}{45} + \cdots$
代入$\ln(1+\sin^2x)$:
$\ln(1+\sin^2x) = \left(x^2 - \frac{x^4}{3}\right) - \frac{1}{2}\left(x^4 - \frac{2x^6}{3}\right) + \cdots = x^2 - \frac{5x^4}{6} + \cdots$
步骤2:计算分子
分子为两对数之差:
$\begin{aligned}\ln(1+x^2) - \ln(1+\sin^2x) &= \left(x^2 - \frac{x^4}{2}\right) - \left(x^2 - \frac{5x^4}{6}\right) \\&= \frac{x^4}{3} + \cdots\end{aligned}$
步骤3:展开分母
展开$\sin^3x$:
$\sin^3x = \left(x - \frac{x^3}{6}\right)^3 = x^3 - \frac{x^5}{2} + \cdots$
分母为:
$x \sin^3x = x \cdot \left(x^3 - \frac{x^5}{2}\right) = x^4 - \frac{x^6}{2} + \cdots$
步骤4:求极限
分子最高阶为$x^4/3$,分母最高阶为$x^4$,故极限值为:
$\lim_{x \rightarrow 0} \frac{x^4/3}{x^4} = \frac{1}{3}$