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拾数笔记

无穷小的比较

无穷小的比较是在同一极限过程中,通过两个无穷小比值的极限,判断它们趋于 0 的快慢:比值为 0 是高阶无穷小,趋于 0 更快;比值无穷大为低阶无穷小,趋于 0 更慢;比值为非零常数是同阶无穷小;比值为 1 则为等价无穷小,等价无穷小可简化乘除极限,一般不能用于加减替换。

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无穷小差值,借助放大镜展示无穷小间隔,直观说明 0.999 无限循环等于 1。
无穷小差值,借助放大镜展示无穷小间隔,直观说明 0.999 无限循环等于 1。

无穷小的比较是指在同一极限过程中,通过计算两个无穷小量之比的极限,来衡量它们趋近于零的相对速度

设在同一极限过程(如 xx0x \to x_0xx \to \infty)中,α(x)\alpha(x)β(x)\beta(x) 均为无穷小量,且 α(x)0\alpha(x) \neq 0。记它们的比值极限为:

L=limβ(x)α(x)L = \lim \frac{\beta(x)}{\alpha(x)}

根据极限 LL 的结果,无穷小之间的关系分为以下几类:

  1. 高阶无穷小:若 L=0L = 0,称 β\beta 是比 α\alpha 更高阶的无穷小,记作 β=o(α)\beta = o(\alpha)。说明 β\beta 趋于 0 的速度比 α\alpha 更快。
  2. 低阶无穷小:若 L=L = \infty,称 β\beta 是比 α\alpha 更低阶的无穷小。说明 β\beta 趋于 0 的速度比 α\alpha 更慢。
  3. 同阶无穷小:若 L=C0L = C \neq 0CC 为常数),称 β\betaα\alpha 是同阶无穷小,说明两者趋于 0 的速度处于同一数量级。
  4. 等价无穷小:若 L=1L = 1,称 β\betaα\alpha 是等价无穷小,记作 αβ\alpha \sim \beta

在极限制算中,熟记常见的等价无穷小可以大幅简化计算:

  • sinxx\sin x \sim x
  • tanxx\tan x \sim x
  • arcsinxx\arcsin x \sim x
  • arctanxx\arctan x \sim x
  • ex1xe^x - 1 \sim x
  • ln(1+x)x\ln(1+x) \sim x
  • ax1xlna(a>0,a1)a^x - 1 \sim x \ln a \quad (a > 0, a \neq 1)
  • 1cosx12x21 - \cos x \sim \frac{1}{2}x^2
  • (1+x)a1ax(1+x)^a - 1 \sim ax

代换定理:若在同一极限过程中,αα\alpha \sim \alpha'ββ\beta \sim \beta',且 limαβ\lim \frac{\alpha'}{\beta'} 存在,则:

limαβ=limαβ\lim \frac{\alpha}{\beta} = \lim \frac{\alpha'}{\beta'}

计算时的注意事项

  • 乘除法因子可直接代换:当无穷小量作为整个分子或分母的乘积/商的因子时,可以直接替换。

    例如:limx0sin2xln(1+3x)=limx02x3x=23\lim_{x \to 0} \frac{\sin 2x}{\ln(1+3x)} = \lim_{x \to 0} \frac{2x}{3x} = \frac{2}{3}

  • 加减法项不可随意代换:若无穷小处于加减运算法则中(如 αβ\alpha - \beta),直接用等价无穷小替换可能会导致最高阶项抵消,从而得出错误结论。加减法的无穷小处理通常需改用泰勒公式(Taylor Series)展开到足够高阶项后再计算。

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