题型一:函数极限#
由于非不定式的极限远比不定式的好求,故这里重点讨论不定式的极限求法。
不定式的 7 种类型00、∞∞、∞−∞、0⋅∞、1∞、00、∞0
利用基本极限#
利用无穷小替换#
注意一定要小心代数和的替换,最好是在相乘 / 分式中作替换!注意整体等价性!
使用前提只能在乘除(乘积 / 分式)中作替换,加减代数和中要谨慎,注意整体等价性!
当 x→0 时,下述等价无穷小成立:
sinxtanx1−cosxex−1(1+x)α−1∼x,∼x,∼2x2,∼x,∼αx(α 为任意实数).arcsinxarctanxln(1+x)ax−1∼x,∼x,∼x,∼xlna(a>0),要考虑综合考虑其他方法,例如:洛必达法则、两个重要极限
利用 L’Hospital 法则(洛必达)#
如果函数 f(x) 和 g(x) 满足:
- 当 x→a 时,f(x) 和 g(x) 都是无穷大(或无穷小);
- 在点 a 的去心邻域内,f(x) 和 g(x) 都可导,且 g′(x)=0;
- x→alimg′(x)f′(x) 存在(或为无穷大);
则
x→alimg(x)f(x)=x→alimg′(x)f′(x).- 00、∞∞ 是不定式的基本型,可直接开洛;其他五种需先化为基本型,才能用。
- 开洛之前,往往要先对式子变形,如 变量代换、等价无穷小替换、拆项 等。
- 洛完之后,应尽可能分离那些极限容易确定且 =0 的因子部分,为后续再洛或运用其他方法作准备。
- 利用 Heine 定理(海涅)(归结原理)求数列极限时,也常结合 L'Hospital 法则。
利用 Taylor 公式#
以 sinx 为例,公共多项式部分仍展到 x2n+1 阶,但余项改用拉格朗日形式。泰勒公式的结构永远是:“公共多项式 + 拉格朗日余项”。
sinx=公共多项式部分x−3!x3+5!x5−⋯+(2n+1)!(−1)nx2n+1+拉格朗日余项(2n+2)!(−1)n+1sinξx2n+2其中 ξ 介于 0 与 x 之间。
原理:
- sinx 的 2n+2 阶导数为 (−1)n+1sinx。
- 将其自变量换成 ξ,得到 (−1)n+1sinξ。
- 套用拉格朗日余项通用公式(此时阶数为 2n+1,故余项阶数为 2n+2):
即得:R2n+1(x)=(2n+2)!(−1)n+1sinξx2n+2(在 x0=0 处展开)。
⚠️ 易错点提醒:千万不要把公共多项式的最后一项和拉格朗日余项混在一起写!多项式部分长什么样,取决于你展开到几阶;余项永远比多项式多一阶。
- 上下同阶:分母若是 xk,分子就展开到 xk。
- 更高阶:若展开到 xk 后分子仍为 0,需要再往高展开一阶。
注意一定一定要注意展开的阶数,还有 o(xn) 的表示和计算!
利用导数的定义#
若所求极限可凑成某个可导函数的增量,则可利用导数的定义求该极限。
核心问题:
- 导数的定义是什么?几何意义是什么?
- 可导、可微、连续三者的关系是什么?
- 复合函数、隐函数、参数方程分别怎么求导?
- 三大微分中值定理(罗尔/拉格朗日/柯西)分别在什么场景下使用?
- 竞赛中“证明存在 ξ 使得等式成立”的构造辅助函数模板有哪些?
导数的定义与几何意义是什么?
可导、可微、连续三者的关系?
基本求导公式与链式法则有哪些易错点?
隐函数与参数方程怎么求导?
三大微分中值定理分别是什么?怎么用?
怎么用泰勒公式证明不等式?
竞赛中构造辅助函数的模板有哪些?
导数应用有哪些?(极值/凹凸/渐近线)
核心要点定义: 设函数 y=f(x) 在点 x0 的某邻域内有定义,若极限 limΔx→0Δxf(x0+Δx)−f(x0) 存在,则称 f(x) 在 x0 处可导,该极限值为 f′(x0)
几何意义: 曲线 y=f(x) 在点 (x0,f(x0)) 处切线的斜率
常见变形形式(竞赛常考):
f′(x0)=h→0limhf(x0+h)−f(x0)=x→x0limx−x0f(x)−f(x0)注意使用导数定义求极限时,Δx→0 必须是双侧逼近(左右导数存在且相等)。若遇到分段函数在分界点求导,必须分别验证左右导数。
核心结论可导 ⟺ 可微 ⟹ 连续
连续 ⇏ 可导(例如 y=∣x∣ 在 x=0 处连续但不可导)。
不可导的常见情况:尖点、垂直切线、间断点。
微分的定义: dy=f′(x)dx,用线性增量去逼近函数值的增量。
- 乘法法则: (uv)′=u′v+uv′
- 除法法则: (vu)′=v2u′v−uv′
- 链式法则: dxdy=dudy⋅dxdu
易错点提醒复合函数求导像“剥洋葱”,千万不能漏乘内层导数。例如 f(x)=(x−21x2)2,求导时应为 2(x−21x2)⋅(1−x),绝对不要漏掉最后的 (1−x)
- 隐函数: 方程两边同时对 x 求导,视 y 为 y(x),解出 y′
- 参数方程: dxdy=dx/dtdy/dt
- 反函数: [f−1(x)]′=f′(y)1
极限题的尽头往往是中值定理。这部分的难点不在于计算,而在于构造。
- 条件: f(x) 在 [a,b] 连续,在 (a,b) 可导,且 f(a)=f(b)。
- 结论: ∃ξ∈(a,b),使得 f′(ξ)=0。
- 证明方程根的存在性,或作为推导拉格朗日、柯西定理的基础。
- 条件: f(x) 在 [a,b] 连续,在 (a,b) 可导。
- 结论: ∃ξ∈(a,b),使得 f(b)−f(a)=f′(ξ)(b−a)。
- 连接函数值之差与导数。常用于处理数列压缩映射(如证明 ∣an+1−an∣≤k∣an−an−1∣)、证明不等式。
- 条件: f(x),g(x) 在 [a,b] 连续,在 (a,b) 可导,且 g′(x)=0。
- 结论: ∃ξ∈(a,b),使得 g(b)−g(a)f(b)−f(a)=g′(ξ)f′(ξ)。
- 洛必达法则的理论基础;处理两个函数增量之比的问题。
三大定理的直观理解罗尔定理:把曲线拉平(两端等高,中间必有切线水平)。
拉格朗日:把曲线倾斜(端点连线的斜率,中间必有切线与之平行)。
柯西:两个函数的增量比值,等于它们在中值点的导数比值。
注意求极限优先用佩亚诺余项(o(xn) 直接扔)。
证明不等式或估计误差时,必须用带拉格朗日余项的泰勒公式,利用 ξ 的范围(如 0<ξ<x)对导数进行放缩。
CMC实战联系洛必达法则本质上是柯西中值定理在求极限时的应用。在利用海涅定理(归结原理)求数列极限时,也常结合洛必达法则。
CMC中,证明“存在 ξ 使得等式成立”或“证明不等式”,核心在于把结论变形为某个函数的导数。
构造辅助函数万能模板| 题目特征(要证的结论) | 构造的辅助函数 F(x) |
| :--- | :--- |
| 要证 f′(ξ)+f(ξ)=0 | F(x)=f(x)ex |
| 要证 f′(ξ)−f(ξ)=0 | F(x)=f(x)e−x |
| 要证 f′(ξ)+g′(ξ)f(ξ)=0 | F(x)=f(x)eg(x) |
| 要证 f′(ξ)=k(常数) | F(x)=f(x)−kx |
| 要证 f′(ξ)+ξ1f(ξ)=0 | F(x)=xf(x) |
| 要证 f′(ξ)=b−af(b)−f(a) | 直接用拉格朗日中值定理 |
| 双中值 ξ,η | 分别在两个区间用拉格朗日/柯西定理,找中间点连接 |
实战步骤:
- 将结论中的 ξ 换成 x,化为方程。
- 通过移项、求导或乘积分因子,凑成某个函数的导数形式。
- 利用罗尔定理或拉格朗日中值定理得出最终结论。
- 单调性: f′(x)>0 递增,f′(x)<0 递减。
- 极值: 一阶导数为0(驻点),一阶导数符号变号处为极值点。二阶导 f′′(x0)<0 极大值,f′′(x0)>0 极小值。
- 凹凸性与拐点: f′′(x)>0 下凸(凹向上),f′′(x)<0 上凸。f′′(x) 变号处为拐点。
- 渐近线:
- 水平渐近线:limx→∞f(x)=C。
- 垂直渐近线:limx→x0f(x)=∞。
- 斜渐近线:y=kx+b,其中 k=limx→∞xf(x),b=limx→∞(f(x)−kx)。
竞赛关联导数的应用常与不等式证明结合。例如证明 f(x)≥g(x),通常构造 F(x)=f(x)−g(x),求导找最小值 Fmin≥0 即可。