题目
当x→0时,sinx(cosx-4)+3x为x的几阶无穷小?____
当x→0时,sinx(cosx-4)+3x为x的几阶无穷小?
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题目解答
答案
将 $\sin x$ 和 $\cos x$ 展开为泰勒级数:
\[
\sin x = x - \frac{x^3}{6} + \frac{x^5}{120} + o(x^5), \quad \cos x = 1 - \frac{x^2}{2} + \frac{x^4}{24} + o(x^4).
\]
代入原式:
\[
\sin x(\cos x - 4) + 3x = \left(x - \frac{x^3}{6} + \frac{x^5}{120} + o(x^5)\right)\left(-3 - \frac{x^2}{2} + \frac{x^4}{24} + o(x^4)\right) + 3x.
\]
展开并整理:
\[
= -3x - \frac{x^3}{2} + \frac{x^5}{24} + \frac{x^3}{2} + \frac{x^5}{12} - \frac{x^5}{40} + o(x^5) + 3x = \frac{x^5}{10} + o(x^5).
\]
主导项为 $\frac{x^5}{10}$,故为 $x$ 的五阶无穷小。
答案:$\boxed{五阶无穷小}$
解析
本题考查无穷小阶的判定,解题思路思路是利用泰勒级数展开将函数化简,然后根据无穷小阶的定义来确定该函数是 $x$ 的几阶无穷小。
- 泰勒级数展开:
-
- 我们知道 $\sin x$ 和 $\cos $x$ 的泰勒级数展开式分别为:
- $\sin x = x - \frac{x^3}{6} + \frac{x^5}{120} + o(x^5)$,这里 $o(x^5)$ 表示 $x^5$ 的高阶无穷小量。
- $\cos x = 1 - \frac{x^2}{2} + \frac{x^4}{24} + o(x^4)$,这里 $o(x^4)$ 表示 $x^4$ 的高阶小量。
-
- 代入原式:**
- 将上述展开式代入 $\sin x(\cos x - 4)+3x$ 中,得到:
- $\sin $x(\cos x - 4)+3x=\left(x - \frac{x^3}{6} + \frac{x^5}{120} + o(x^5)\right)\left(-3 - \frac{x^2}{2} + \frac{x^4}{24} + o(x^4)\right)+3x$。
- 将上述展开式代入 $\sin x(\cos x - 4)+3x$ 中,得到:
- 展开并整理:
- 先将 $\left(x - \frac{x^3}{6} + \frac{x^5}{120} + o(x^5)\right)\left(-3 - \frac{x^2}{2} + \frac{x^4}{24} + o(x^4)\right)$ 展开:
- $x 与 $\left(-3 - \frac{x^2}{2} + \frac{x^4}{24} + o(x^4)\right)$ 相乘得:$x\times(-3)-x\times\frac{x^2}{2}+x\times\frac{x^4}{24}+x\times o(x^4)=-3x-\frac{x^3}{2}+\frac{x^5}{24}+o(x^5)$。
- $-\frac{x^3}{6}$ 与 $\left(-3 - \frac{x^2}{2} + \frac{x^4}{24} + o(x^4)\right)$ 相乘得:$(-\frac{x^3}{6})\times(-3)-(-\frac{x^3}{6})\times\frac{x^2}{2}+(-\frac{x^3}{6})\times\frac{x^4}{24}+(-\frac{x^3}{6})\times o(x^4)=\frac{x^3}{2}+\frac{x^5}{12}-\frac{x^7}{144}+o(x^7)$。
- $\frac{x^5}{120}$ 与 $\left(-3 - \frac{x^2}{2} + \frac{x^4}{24} + o(x^4)\right)$ 相乘得:$\frac{x^5}{120}\times(-3)-\frac{x^5}{120}\times\frac{x^2}{2}+\frac{x^5}{120}}\times\frac{x^4}{24}+\frac{x^5}{120}\times o(x^4)=-\frac{x^5}{40}-\frac{x^7}{240}+\frac{x^9}{2880}+o(x^9)$。
- $o(x^5)$ 与 $\left(-3 - \frac{x^2}{2} + \frac{x^4}{24} + o(x^4)\right)$ 相乘得 $o(x^5)$。
- 然后将上述各项相加并整理:
- $\left(x - \frac{x^3}{6} + \frac{x^5}{120} + o(x^5)\right)\left(-3 - \frac{x^2}{2} + \frac{x^4}{24} + o(x^4)\right)+3x$
- $=\left(-3x-\frac{x^3}{2}+\frac{x^5}{24}+\frac{x^3}{2}+\frac{x^5}{12}-\frac{x^5}{40}+o(x^5)\right)+3x$
- 合并同类项:
- 对于 $x$ 的一次项:$-3x + 3x = 0$。
- 对于 $x$ 的三次项:$-\frac{x^3}{2}+\frac{x^3}{2}=0$
- 对于 $x$ 的五次项:$\frac{x^5}{24}+\frac{x^5}{12}-\frac{x^5}{40}=\frac{5x^5 + 10x^5-3x^5}{120}=\frac{12x^5}{120}=\frac{x^5}{10}$。
- 所以最终结果为 $\frac{x^5}{10}+o(x^5)}$。
- 先将 $\left(x - \frac{x^3}{6} + \frac{x^5}{120} + o(x^5)\right)\left(-3 - \frac{x^2}{2} + \frac{x^4}{24} + o(x^4)\right)$ 展开:
- 确定无穷小阶:
- 根据无穷小阶的定义,如果 $\lim\limits_{x\rightarrow0}\frac{f(x)}{x^k}=C$($C$ 为非零常数),则称 $f(x)$ 是 $x$ 的 $k$ 阶无穷小。
- 对于 $f(x)=\frac{x^5}{10}+o(x^5)$,$\lim\limits_{x\rightarrow0}\frac{\frac{x^5}{10}+o(x^5)}{x^}=\}=\lim\limits_{x\rightarrow0}\left(\frac{1}{10}+\frac{o(x^5)}{x^5}\right)=\frac{\frac{10}$,这里 $C = \frac{1}{10}$ 为非零常数,所以 $f(x)$ 是 $x$ 的五阶无穷小。