Таблица эквивалентных бесконечно малых величин
Главный инструмент для быстрого раскрытия неопределенностей вида [0/0] без применения правила Лопиталя и громоздких вычислений.
Определение эквивалентности
Функции $\alpha(x)$ и $\beta(x)$ называются бесконечно малыми при $x \to x_0$, если $\lim_{x \to x_0} \alpha(x) = 0$ и $\lim_{x \to x_0} \beta(x) = 0$.
Знак «$\sim$» читается как «эквивалентно». Если предел отношения равен единице, одну бесконечно малую можно заменять на другую в произведениях и дробях.
Сводная таблица основных эквивалентностей при $x \to 0$
Шпаргалка| Исходная функция | Эквивалентная величина при $x \to 0$ | Примечание / Следствие |
|---|---|---|
| $$\sin x$$ | $$\sim x$$ | Первый замечательный предел |
| $$\operatorname{tg} x$$ | $$\sim x$$ | $$\operatorname{tg} x = \frac{\sin x}{\cos x} \sim x$$ |
| $$\arcsin x$$ | $$\sim x$$ | Обратная тригонометрия |
| $$\operatorname{arctg} x$$ | $$\sim x$$ | Обратная тригонометрия |
| $$1 - \cos x$$ | $$\sim \frac{x^2}{2}$$ | Очень частая замена в типовиках |
| $$\operatorname{tg} x - \sin x$$ | $$\sim \frac{x^3}{2}$$ | Следствие формулы тангенса |
| $$e^x - 1$$ | $$\sim x$$ | Второй замечательный предел |
| $$a^x - 1$$ | $$\sim x \ln a$$ | Для любого основания $$a > 0, a \neq 1$$ |
| $$\ln(1 + x)$$ | $$\sim x$$ | Натуральный логарифм |
| $$\log_a(1 + x)$$ | $$\sim \frac{x}{\ln a}$$ | Логарифм по произвольному основанию |
| $$(1 + x)^m - 1$$ | $$\sim m x$$ | Степенная функция ($$m \in \mathbb{R}$$) |
| $$\sqrt{1 + x} - 1$$ | $$\sim \frac{x}{2}$$ | Частный случай степени $$m = 1/2$$ |
| $$\sqrt[n]{1 + x} - 1$$ | $$\sim \frac{x}{n}$$ | Частный случай степени $$m = 1/n$$ |
Правило подстановки аргумента $\alpha(x) \to 0$
В реальных заданиях аргументом функции редко бывает просто $x$. Вместо $x$ может стоять любое выражение $\alpha(x)$, главное условие — чтобы при предельном переходе оно стремилось к нулю ($\alpha(x) \to 0$):
Правила замены: где МОЖНО и где НЕЛЬЗЯ заменять
Где заменять МОЖНО:
В сомножителях произведения и частного:
Предел от такой замены не изменяется и решение упрощается в несколько раз.
Главная ошибка студентов:
НЕЛЬЗЯ заменять в суммах и разностях, если результат взаимно уничтожается в ноль:
Правильный предел равен $1/2$. В разностях нужно сначала преобразовать тригонометрию или раскладывать в ряд Тейлора.
Примеры решения пределов с эквивалентными бесконечно малыми
Вычислить предел $\lim_{x \to 0} \frac{\ln(1 + 4x)}{\sin(7x)}$
Шаг 1. Проверяем неопределенность:
При $x \to 0$: числитель $\ln(1+0) = 0$, знаменатель $\sin(0) = 0$. Получаем неопределенность [0/0].
Шаг 2. Применяем эквивалентности при $x \to 0$:
- $\ln(1 + 4x) \sim 4x$
- $\sin(7x) \sim 7x$
Шаг 3. Подставляем в предел:
Вычислить предел $\lim_{x \to 0} \frac{1 - \cos(6x)}{x \cdot \operatorname{tg}(3x)}$
Шаг 1. Подстановка: неопределенность вида [0/0].
Шаг 2. Заменяем бесконечно малые:
- $1 - \cos(6x) \sim (6x)^2 / 2 = 36x^2 / 2 = 18x^2$
- $\operatorname{tg}(3x) \sim 3x$
Шаг 3. Вычисляем отношение:
Вычислить предел $\lim_{x \to 0} \frac{e^{3x} - 1}{\sqrt{1 + 2x} - 1}$
Шаг 1. Анализ выражения:
Числитель $e^{3x} - 1 \sim 3x$.
Для корня знаменателя используем формулу $\sqrt{1+u} - 1 \sim u/2$ при $u = 2x$:
Шаг 2. Находим предел:
Часто задаваемые вопросы об эквивалентных бесконечно малых
Ответы на популярные вопросы и теоретические нюансы для правильного оформления в тетради
Что такое эквивалентные бесконечно малые функции?
Две бесконечно малые функции α(x) и β(x) при x → x₀ называются эквивалентными (обозначается α ∼ β), если предел их отношения равен единице: lim (α(x) / β(x)) = 1 при x → x₀.
Когда можно заменять функции на эквивалентные в пределах?
Заменять бесконечно малые на эквивалентные можно в сомножителях произведения и частного (дроби). Вся дробь или произведение от такой замены не меняет своего предельного значения.
Почему нельзя заменять эквивалентные бесконечно малые в разности?
Замена в разности f(x) - g(x) запрещена, если главные члены разности взаимно уничтожаются и дают 0. Например, замена tg x - sin x на x - x = 0 ошибочна (правильный предел дает x³/2). В разностях нужно применять тригонометрические преобразования или ряды Тейлора.
Чему эквивалентно 1 - cos(x) при x стремящемся к 0?
Величина 1 - cos(x) эквивалентна x²/2 при x → 0. Это следует из тригонометрической формулы 1 - cos(x) = 2 sin²(x/2) ∼ 2 · (x/2)² = x²/2.
Работают ли формулы для сложных аргументов?
Да! Если аргумент α(x) стремится к нулю при x → x₀, то формулы остаются справедливыми: sin(α(x)) ∼ α(x), e^(α(x)) - 1 ∼ α(x), ln(1 + α(x)) ∼ α(x).