三角极限

在这里您将了解如何求解三角极限。您将能够看到三角函数极限的几个示例,甚至可以通过解决三角函数极限的分步练习进行练习。

什么是三角极限?

三角极限是根据三角函数计算的极限。为了解决三角极限,必须应用初步程序,因为它们通常会引起不确定性。

此外,三角函数的无限极限不存在,因为它们是周期函数。也就是说,它的图表不断周期性地重复,而不趋向于特定值。

三角极限公式

所有三角极限均通过以下两个公式计算:

\displaystyle\lim_{x\to 0}\frac{\text{sen}(x)}{x}=1

如果我们尝试通过替换来计算极限,我们会得到零之间的零不确定性:

\displaystyle\lim_{x\to 0}\frac{\text{sen}(x)}{x}=\frac{\text{sen}(0)}{0}=\frac{0}{0}

但这个三角公式可以通过计算更接近的函数值和更接近x=0(以弧度表示的角度)来证明。

\displaystyle f(x)=\frac{\text{sen}(x)}{x}=1

\begin{array}{c}\begin{array}{l}f(-1)=\cfrac{\text{sen}(-1)}{-1}=0,84147\\[3ex]f(-0,1)=\cfrac{\text{sen}(-0,1)}{-0,1}=0,99833\\[3ex]f(-0,01)=\cfrac{\text{sen}(-0,01)}{-0,01}=0,99998\\[3ex]f(-0,001)=\cfrac{\text{sen}(-0,001)}{-0,001}=0,99999\end{array}\\[14ex]\vdots\\[2ex]\displaystyle\lim_{x\to 0^-}\frac{\text{sen}(x)}{x}=1\end{array}

\begin{array}{c}\begin{array}{l}f(1)=\cfrac{\text{sen}(1)}{1}=0,84147\\[3ex]f(0,1)=\cfrac{\text{sen}(0,1)}{0,1}=0,99833\\[3ex]f(0,01)=\cfrac{\text{sen}(0,01)}{0,01}=0,99998\\[3ex]f(0,001)=\cfrac{\text{sen}(0,001)}{0,001}=0,99999\end{array}\\[14ex]\vdots\\[2ex]\displaystyle\lim_{x\to 0^+}\frac{\text{sen}(x)}{x}=1\end{array}

三角函数的两个横向极限为 1,因此 x=0 点处的极限为 1:

\begin{array}{c}\displaystyle\lim_{x\to 0^-}\frac{\text{sen}(x)}{x}=\lim_{x\to 0^+}\frac{\text{sen}(x)}{x}=1\\[3ex]\color{orange}\bm{\downarrow}\\[2ex]\lim_{x\to 0}\displaystyle\frac{\text{sen}(x)}{x}=1\end{array}

因此,当 x 趋于 0 时,x 的正弦除以 x 的三角极限等于 1。

这个公式也可以应用于多个角度:

\displaystyle\lim_{x\to 0}\frac{\text{sen}(kx)}{kx}=1

\displaystyle\lim_{x\to 0}\frac{1-\text{cos}(x)}{x}=0

如果我们尝试通过直接替换来求极限,我们会得到零之间的不定形式零:

\displaystyle\lim_{x\to 0}\frac{1-\text{cos}(x)}{x}=}\frac{1-\text{cos}(0)}{0}=\frac{1-1}{0}=\frac{0}{0}

但我们可以从上面的公式来检验是否相等。为此,您必须首先将分数的分子和分母乘以 1 加上 x 的余弦:

\displaystyle\lim_{x\to 0}\frac{\bigl(1-\text{cos}(x)\bigr)\cdot \bigl(1+\text{cos}(x)\bigr)}{x\cdot \bigl(1+\text{cos}(x)\bigr)}

现在我们在分数的分子中有显着的恒等式,因此我们可以简化它:

\displaystyle\lim_{x\to 0}\frac{1^2-\text{cos}^2(x)}{x\cdot \bigl(1+\text{cos}(x)\bigr)}

\displaystyle\lim_{x\to 0}\frac{1-\text{cos}^2(x)}{x\cdot \bigl(1+\text{cos}(x)\bigr)}

从基本的三角恒等式开始,我们重写分子:

\text{sen}^2(x)+\text{cos}^2(x)=1 \ \longrightarrow \ \text{sen}^2(x)=1-\text{cos}^2(x)

\displaystyle\lim_{x\to 0}\frac{\text{sen}^2(x)}{x\cdot \bigl(1+\text{cos}(x)\bigr)}

因此,我们可以将分数转换为分数的乘积:

\displaystyle\lim_{x\to 0}\frac{\text{sen}(x)\cdot \text{sen}(x)}{x\cdot \bigl(1+\text{cos}(x)\bigr)}

\displaystyle\lim_{x\to 0}\frac{\text{sen}(x)}{x}\cdot \frac{\text{sen}(x)}{1+\text{cos}(x)}

利用极限的性质,我们可以将上面的表达式转换为极限的乘积:

\displaystyle\lim_{x\to 0}\frac{\text{sen}(x)}{x}\cdot \lim_{x\to 0}\frac{\text{sen}(x)}{1+\text{cos}(x)}

使用上面演示的公式,我们可以轻松简化三角极限:

\displaystyle\lim_{x\to 0}\frac{\text{sen}(x)}{x}=1

\displaystyle 1\cdot \lim_{x\to 0}\frac{\text{sen}(x)}{1+\text{cos}(x)}

\displaystyle \lim_{x\to 0}\frac{\text{sen}(x)}{1+\text{cos}(x)}

最后,我们计算结果极限:

\displaystyle \lim_{x\to 0}\frac{\text{sen}(0)}{1+\text{cos}(0)}=\frac{0}{1+1}=\frac{0}{2}=0

因此,三角极限公式得到验证:

\displaystyle\lim_{x\to 0}\frac{1-\text{cos}(x)}{x}=0

与其他公式一样,它也可以用于多个角度:

\displaystyle\lim_{x\to 0}\frac{1-\text{cos}(kx)}{kx}=0

因此,要求解三角极限,就必须用算术对函数进行变换,得到类似的表达式。这样我们就可以使用两个公式之一并找到极限值。

另一方面,有时我们可能需要应用某些三角恒等式,因此我们将以下所有公式留给您

连接三个主要三角比率的公式:

\text{tan}(x)=\cfrac{\text{sen}(x)}{\text{cos}(x)}

基本三角恒等式:

\text{sen}^2(x)+\text{cos}^2(x)=1

由基本三角关系导出:

1+\text{tan}^2 (x)=\cfrac{1}{\text{cos}^2(x)}=\text{sec}^2(x)

1+\text{cot}^2 (x)=\cfrac{1}{\text{sen}2(x)}=\text{cosec}^2(x)

对角:

\text{sen}(-x)=-\text{sen}(x)

\text{cos}(-x)=\text{cos}(x)

\text{tan}(-x)=-\text{tan}(x)

两个角度之和:

\text{sen}(x+y)=\text{sen}(x)\text{cos}(y)+\text{cos}(x)\text{sen}(y)

\text{cos}(x+y)=\text{cos}(x)\text{cos}(y)-\text{sen}(x)\text{sen}(y)

\text{tan}(x+y)=\cfrac{\text{tan}(x)+\text{tan}(y)}{1-\text{tan}(x)\text{tan}(y)}

两个角度之差:

\text{sen}(x-y) = \text{sen}(x)\text{cos}(y)-\text{cos}(x)\text{sen}(y)

\text{cos}(x-y) = \text{cos}(x)\text{cos}(y)+ \text{sen}(x) sen(y)

\text{tan}(x-y)=\cfrac{\text{tan}(x)-\text{tan}(y)}{1+\text{tan}(x)\text{tan}(y)}

双角:

\text{sen}(2x) = 2\text{sen}(x)\text{cos}(x)

\text{cos}(2x) =\text{cos}^2(x)-\text{sen}^2(x)

\text{tan}(2x) =\cfrac{2\text{tan}(x)}{1-\text{tan}^2(x)}

半角:

\displaystyle \text{sen}\left(\frac{x}{2}\right) = \pm \sqrt{\frac{1-\text{cos}(x)}{2}}

\displaystyle \text{cos}\left(\frac{x}{2}\right) = \pm \sqrt{\frac{1+\text{cos}(x)}{2}}

\displaystyle\text{tan}\left(\frac{x}{2}\right) = \pm \sqrt{\frac{1-\text{cos}(x)}{1+\text{cos}(x)}}

正弦和余弦的加法和减法:

\displaystyle \text{sen}(x)+\text{sen}(y)=2\text{sen}\left(\frac{x+y}{2} \right)\text{cos}\left(\frac{x-y}{2} \right)

\displaystyle \text{sen}(x)-\text{sen}(y)=2\text{cos}\left(\frac{x+y}{2} \right)\text{sen}\left(\frac{x-y}{2} \right)

\displaystyle \text{cos}(x)+\text{cos}(y)=2\text{cos}\left(\frac{x+y}{2} \right)\text{cos}\left(\frac{x-y}{2} \right)

\displaystyle \text{cos}(x)-\text{cos}(y)=-2\text{sen}\left(\frac{x+y}{2} \right)\text{sen}\left(\frac{x-y}{2} \right)

正弦和余弦的乘积:

\displaystyle \text{sen}(x)\cdot \text{sen}(y)=\frac{1}{2}\Bigl[\text{cos}(x-y)-\text{cos}(x+y)\Bigr]

\displaystyle \text{cos}(x)\cdot \text{cos}(y)=\frac{1}{2}\Bigl[\text{cos}(x+y)+\text{cos}(x-y)\Bigr]

\displaystyle \text{sen}(x)\cdot \text{cos}(y)=\frac{1}{2}\Bigl[\text{sen}(x+y)+\text{sen}(x-y)\Bigr]

为了让您能够准确地了解三角极限是如何计算的,我们在下面整理了一个分步示例。

三角极限示例

让我们看看如何使用以下示例求解三角极限:

\displaystyle\lim_{x\to 0}\frac{\text{tan}(x)}{x}

尝试计算三角极限,我们得到零与零之间的不确定性:

\displaystyle\lim_{x\to 0}\frac{\text{tan}(x)}{x}=\frac{\text{tan}(0)}{0}=\frac{0}{0}

请参阅: 零之间的零限制

因此需要对三角函数进行变换来求解极限。正切函数等于正弦除以余弦,因此:

\text{tan}(x)=\cfrac{\text{sen}(x)}{\text{cos}(x)}

\displaystyle\lim_{x\to 0}\frac{\text{tan}(x)}{x}=\lim_{x\to 0}\frac{\displaystyle\frac{\text{sen}(x)}{\text{cos}(x)}}{x}

现在我们可以通过应用分数的性质将函数表示为乘积:

\displaystyle\frac{\displaystyle\frac{a}{b}}{\displaystyle\frac{c}{d}}=\frac{a\cdot d}{b\cdot c}

\begin{array}{l}\displaystyle\lim_{x\to 0}\frac{\displaystyle\frac{\text{sen}(x)}{\text{cos}(x)}}{\displaystyle\frac{x}{1}}=\lim_{x\to 0}{\frac{\text{sen}(x)\cdot 1}{\text{cos}(x) \cdot x}=\\[6ex]\displaystyle =\lim_{x\to 0}{\frac{\text{sen}(x)}{x\text{cos}(x)}=\lim_{x\to 0}\frac{\text{sen}(x)}{x}\cdot \frac{1}{\text{cos}(x)}\end{array}

利用极限的性质,我们可以将两个相乘函数的极限转换为两个极限的乘积:

\displaystyle\lim_{x\to 0}\frac{\text{sen}(x)}{x}\cdot\frac{1}{\text{cos}(x)}=\lim_{x\to 0}\frac{\text{sen}(x)}{x}\cdot\lim_{x\to 0}\frac{1}{\text{cos}(x)}

正如我们上面所展示的,第一个三角极限给出 1:

\displaystyle\lim_{x\to 0}\frac{\text{sen}(x)}{x}=1

\displaystyle\lim_{x\to 0}\frac{\text{sen}(x)}{x}\cdot\lim_{x\to 0}\frac{1}{\text{cos}(x)}=1\cdot\lim_{x\to 0}\frac{1}{\text{cos}(x)}=\lim_{x\to 0}\frac{1}{\text{cos}(x)}

因此只需进行以下计算:

\displaystyle \lim_{x\to 0}\frac{1}{\text{cos}(x)}=\frac{1}{\text{cos}(0)}=\frac{1}{1}=1

解决了三角极限的练习

练习1

求解以下三角极限:

\displaystyle\lim_{x\to 0}\frac{\text{sen}(4x)}{2x}

首先,我们尝试通过直接求值来计算三角极限:

\displaystyle\lim_{x\to 0}\frac{\text{sen}(4x)}{2x}=\frac{\text{sen}(4\cdot 0)}{2\cdot 0}=\frac{0}{0}

但我们的不确定性为零。所以我们需要对函数进行变换。

首先,我们将通过执行以下操作将 x 保留在分母中:

\displaystyle\lim_{x\to 0}\frac{\text{sen}(4x)}{2x}=\lim_{x\to 0}\frac{1}{2}\cdot\frac{\text{sen}(4x)}{x}=\frac{1}{2}\cdot\lim_{x\to 0}\frac{\text{sen}(4x)}{x}

现在我们将分数乘以 4 并除以 4,得到一个表达式,可以应用第一个三角极限公式:

\displaystyle\frac{1}{2}\lim_{x\to 0}\frac{\text{sen}(4x)\cdot 4}{x\cdot 4}=\frac{1}{2}\cdot 4 \cdot \lim_{x\to 0}\frac{\text{sen}(4x)}{4x}=2\lim_{x\to 0}\frac{\text{sen}(4x)}{4x}

最后,我们应用一开始看到的公式来求解三角极限:

\displaystyle\lim_{x\to 0}\frac{\text{sen}(kx)}{kx}=1

\displaystyle 2\lim_{x\to 0}\frac{\text{sen}(4x)}{4x}=2\cdot 1=\bm{2}

练习2

计算以下三角极限:

\displaystyle\lim_{x\to 0}\frac{\text{sen}(x)+\text{tan}(x)}{x}

首先,我们尝试找到三角极限:

\displaystyle\lim_{x\to 0}\frac{\text{sen}(x)+\text{tan}(x)}{x}=\frac{\text{sen}(0)+\text{tan}(0)}{0}=\frac{0}{0}

但不定形式“零”对应于“零”已达到。

然后,我们将正切转换为正弦和余弦的商:

\displaystyle\lim_{x\to 0}\frac{\text{sen}(x)+\text{tan}(x)}{x}=\lim_{x\to 0}\frac{\displaystyle\text{sen}(x)+\frac{\text{sen}(x)}{\text{cos}(x)}}{x}

我们乘以和除以 x 的余弦:

\displaystyle\lim_{x\to 0}\frac{\left(\displaystyle\text{sen}(x)+\frac{\text{sen}(x)}{\text{cos}(x)}\right)\cdot\text{cos}(x)}{x\cdot\text{cos}(x)}=\lim_{x\to 0}\frac{\text{sen}(x)\text{cos}(x)+\text{sen}(x)}{x\cdot\text{cos}(x)}

我们在分子中取一个公因数,然后将三角极限一分为二:

\displaystyle\lim_{x\to 0}\frac{\text{sen}(x)(\text{cos}(x)+1)}{x\cdot\text{cos}(x)}=\lim_{x\to 0}\frac{\text{sen}(x)}{x}\cdot\lim_{x\to 0}\frac{\text{cos}(x)+1}{\text{cos}(x)}

最后,我们求出三角极限的结果:

\displaystyle\lim_{x\to 0}\frac{\text{sen}(x)}{x}\cdot\lim_{x\to 0}\frac{\text{cos}(x)+1}{\text{cos}(x)}=1\cdot\frac{\text{cos}(0)+1}{\text{cos}(0)} =\frac{1+1}{1}=\bm{2}

练习3

当 x 接近零时,求解以下三角函数的极限:

\displaystyle\lim_{x\to 0}\frac{\text{tan}(x)-\text{sen}{(x)}}{3x\cdot\text{tan}(x)}

通过直接计算,我们得到 0 之间的不确定极限 0:

\displaystyle\lim_{x\to 0}}\frac{\text{tan}(x)-\text{sen}(x)}{3x\cdot\text{tan}(x)}=\frac{\text{tan}(0)-\text{sen}(0)}{3\cdot 0\cdot\text{tan}(0)}=\frac{0}{0}

因此,我们将每一项除以 x 的正切来简化极限:

\displaystyle\lim_{x\to 0}\frac{\displaystyle\frac{\text{tan}(x)}{\text{tan}(x)}-\frac{\text{sen}(x)}{\text{tan}(x)}}{\displaystyle\frac{3x\cdot\text{tan}(x)}{\text{tan}(x)}}=\lim_{x\to 0}\frac{\displaystyle 1-\frac{\text{sen}(x)}{\text{tan}(x)}}{3x}

其次,我们可以从基本三角恒等式推导出分子的分数等于 x 的余弦:

\text{tan}(x)=\cfrac{\text{sen}(x)}{\text{cos}(x)}\ \longrightarrow \ \text{cos}(x)=\cfrac{\text{sen}(x)}{\text{tan}(x)}

\displaystyle\lim_{x\to 0}\frac{\displaystyle 1-\frac{\text{sen}(x)}{\text{tan}(x)}}{3x}=\lim_{x\to 0}\frac{1-\text{cos}(x)}{3x}

并且应用三角极限理论中演示的第二个公式,我们可以轻松求解极限:

\displaystyle\lim_{x\to 0}\frac{1-\text{cos}(x)}{x}=0

\begin{array}{l}\displaystyle\lim_{x\to 0}\frac{1-\text{cos}(x)}{3x}=\lim_{x\to 0}\frac{1}{3}\cdot \frac{1-\text{cos}(x)}{x}=\\[4ex]\displaystyle =\frac{1}{3}\lim_{x\to 0}\frac{1-\text{cos}(x)}{x}=\frac{1}{3}\cdot 0=\bm{0}\end{array}

练习4

求下列三角极限在点 x=0 处的解:

\displaystyle\lim_{x\to 0}\frac{2\text{sen}(x)\text{cos}(x)\text{sen}(5x)}{x^2}

如果我们尝试求解极限,我们会找到不定形式 0/0:

\displaystyle\lim_{x\to 0}\frac{2\text{sen}(x)\text{cos}(x)\text{sen}(5x)}{x^2}=\frac{2\text{sen}(0)\text{cos}(0)\text{sen}(5\cdot 0)}{0^2}=\frac{0}{0}

分子的代数表达式可以使用双角正弦的三角恒等式重写:

\text{sen}(2x)=2\text{sen}(x)\text{cos}(x)

\displaystyle\lim_{x\to 0}\frac{2\text{sen}(x)\text{cos}(x)\text{sen}(5x)}{x^2}=\lim_{x\to 0}\frac{\text{sen}(2x)\text{sen}(5x)}{x^2}

现在让我们将三角函数的极限分解为乘积:

\begin{array}{l}\displaystyle\lim_{x\to 0}\frac{\text{sen}(2x)\cdot \text{sen}(5x)}{x\cdot x}=\\[4ex]\displaystyle =\lim_{x\to 0}\frac{\text{sen}(2x)}{x}\cdot\frac{\text{sen}(5x)}{x}=\\[4ex]\displaystyle =\lim_{x\to 0}\frac{\text{sen}(2x)}{x}\cdot\lim_{x\to 0}\frac{\text{sen}(5x)}{x}\end{array}

最后,我们通过应用极限的性质来求解三角极限:

\begin{array}{l}\displaystyle\lim_{x\to 0}\frac{\text{sen}(2x)}{x}\cdot\lim_{x\to 0}\frac{\text{sen}(5x)}{x}=\\[4ex]\displaystyle =2\cdot \lim_{x\to 0}\frac{\text{sen}(2x)}{2x}\cdot 5\cdot \lim_{x\to 0}\frac{\text{sen}(5x)}{5x}=\\[4ex]\displaystyle =2\cdot 1\cdot 5\cdot 1=\bm{10}\end{array}

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