【高數:3 無窮小與無窮大】

【高數:3 無窮小與無窮大】

  • 1 無窮小與無窮大
  • 2 極限運算法則
  • 3 極限存在原則
  • 4 趨于無窮小的比較

參考書籍:畢文斌, 毛悅悅. Python漫游數學王國[M]. 北京:清華大學出版社,2022.

1 無窮小與無窮大

無窮大在sympy中用兩個字母o表示無窮大,正無窮大為sy.oo,負無窮大為-sy.oo

import sympy as sy
x=sy.oo
print(1/x)
>>>0

lim ? x → 0 ? 1 x \lim_{x \to 0^-} \frac{1}{x} limx0??x1?

x=sy.symbols('x')
print(sy.limit(1/x,x,0,dir='-'))
>>>-oo

2 極限運算法則

lim ? x → 3 x ? 3 x 2 ? 9 \lim_{x \to 3} \frac{x-3}{x^2-9} limx3?x2?9x?3?

import sympy as sy
x=sy.symbols('x')
print(sy.limit((x-3)/(x**2-9),x,3,dir='+-'))

lim ? x → 1 2 x ? 3 x 2 ? 5 x + 4 \lim_{x \to 1} \frac{2x-3}{x^2-5x+4} limx1?x2?5x+42x?3?

x=sy.symbols('x')
print(sy.limit((2*x-3)/(x**2-5*x+4),x,1,dir='-'))
print(sy.limit((2*x-3)/(x**2-5*x+4),x,1))
>>>-oo, oo 故趨于無窮時極限為無窮oo

lim ? x → ∞ 3 x 3 + 4 X 2 + 2 7 x 3 + 5 x 2 ? 3 \lim_{x \to \infty} \frac{3x^3+4X^2+2}{7x^3+5x^2-3} limx?7x3+5x2?33x3+4X2+2?

x=sy.symbols('x')
print(sy.limit((3*x**3+4*x**2+2)/(7*x**3+5*x**2-3),x,sy.oo,dir='-'))
print(sy.limit((3*x**3+4*x**2+2)/(7*x**3+5*x**2-3),x,-sy.oo,dir='+'))
>>>3/7,3/7 故趨于無窮時極限為3/7

當分子分母極限都不存在時, lim ? x → ∞ sin ? x x \lim_{x \to \infty} \frac{\sin x}{x} limx?xsinx?

x=sy.symbols('x')
y=sy.sin(x)/x
print(sy.limit(y,x,sy.oo,dir='+'))
print(sy.limit(y,x,-sy.oo,dir='+'))
>>>0 , 0 故趨于無窮時極限為0

3 極限存在原則

eg1: lim ? x → 0 sin ? x x \lim_{x \to 0} \frac{\sin x}{x} limx0?xsinx?

import sympy as sy
x=sy.symbols('x')
lim=sy.limit(sy.sin(x)/x,x,0,dir='+-')
print(lim)
>>>1

eg2: lim ? x → 0 arcsin ? x tan ? x \lim_{x \to 0} \frac{\arcsin x}{\tan x} limx0?tanxarcsinx?

x=sy.symbols('x')
print(sy.limit(sy.asin(x)/sy.tan(x),x,0,dir='+-'))  #sy.asin()指arcsin函數
>>>1

eg3: lim ? x → 0 1 ? cos ? x x 2 \lim_{x \to 0} \frac{1- \cos x}{x^2} limx0?x21?cosx?

x=sy.symbols('x')
print(sy.limit((1-sy.cos(x))/(x**2),x,0,dir='+-'))
>>>1/2

eg4: lim ? x → 0 ( 1 + x ) 1 x \lim_{x \to 0} (1+x)^{\frac{1}{x}} limx0?(1+x)x1?

x=sy.symbols('x')
lim=sy.limit((1+x)**(1/x),x,0,dir='+-')
print(lim)
>>>E

eg5: lim ? x → ∞ ( 1 + 1 x ) x \lim_{x \to \infty} (1+\frac{1}{x})^x limx?(1+x1?)x

x=sy.symbols('x')
lim=sy.limit((1+1/x)**x,x,sy.oo,dir='-')
print(lim)
print(lim.round(3))
print(sy.limit((1+1/x)**x,x,-sy.oo))
>>>E, 2.718, E

eg6: 說明數列 2 , 2 + 2 , 2 + 2 + 2 \sqrt{2} , \sqrt{2+\sqrt{2}},\sqrt{2+\sqrt{2+\sqrt{2}}} 2 ?,2+2 ? ?,2+2+2 ? ? ?,···的極限存在

#用函數的遞歸機制定義數列
def a_complex_series(n):#退出條件if n<=0:return 2**0.5#一個函數如果調用自身,則這個函數就是一個遞歸函數return (2.0+a_complex_series(n-1))**0.5
#繪制前20個數的散點圖
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
x=[]
y=[]
for i in range(20):x.append(i)y.append(a_complex_series(i))
print(np.array(y))
plt.scatter(x,y)
plt.show()
>>>[1.41421356 1.84775907 1.96157056 1.99036945 1.99759091 1.99939764
1.9998494  1.99996235 1.99999059 1.99999765 1.99999941 1.999999851.99999996 1.99999999 2.         2.         2.         2.
2.         2.        ]

在這里插入圖片描述
故極限為2

4 趨于無窮小的比較

eg1: lim ? x → 0 tan ? 2 x sin ? 5 x \lim_{x \to 0} \frac{\tan 2x}{\sin 5x} limx0?sin5xtan2x?

from sympy import limit,sin,cos,tan,symbols #從sympy中僅導入這幾個函數
x=symbols('x')
example_1=tan(2*x)/sin(5*x)
result=limit(example_1,x,0,dir='+-')
print(result)
>>>2/5

eg2: lim ? x → 0 sin ? x x 3 + 3 x \lim_{x \to 0} \frac{\sin x}{x^3+3x} limx0?x3+3xsinx?

x=symbols('x')
example_2=sin(x)/(x**3+3*x)
result=limit(example_2,x,0,dir='+-')
print(result)
>>>1/3

eg3: lim ? x → 0 ( 1 + x 2 ) 1 / 3 ? 1 cos ? x ? 1 \lim_{x \to 0} \frac{(1+x^2)^{1/3}-1}{\cos x-1} limx0?cosx?1(1+x2)1/3?1?

x=symbols('x')
example_3=((1+x**2)**(1/3)-1)/(cos(x)-1)
result=limit(example_3,x,0,dir='+-')
print(result)
>>>-2/3

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