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 x→x0 或 x→∞)中,α(x) 与 β(x) 均为无穷小量,且 α(x)=0。记它们的比值极限为:
L=limα(x)β(x)
根据极限 L 的结果,无穷小之间的关系分为以下几类:
- 高阶无穷小:若 L=0,称 β 是比 α 更高阶的无穷小,记作 β=o(α)。说明 β 趋于 0 的速度比 α 更快。
- 低阶无穷小:若 L=∞,称 β 是比 α 更低阶的无穷小。说明 β 趋于 0 的速度比 α 更慢。
- 同阶无穷小:若 L=C=0(C 为常数),称 β 与 α 是同阶无穷小,说明两者趋于 0 的速度处于同一数量级。
- 等价无穷小:若 L=1,称 β 与 α 是等价无穷小,记作 α∼β。
在极限制算中,熟记常见的等价无穷小可以大幅简化计算:
- sinx∼x
- tanx∼x
- arcsinx∼x
- arctanx∼x
- ex−1∼x
- ln(1+x)∼x
- ax−1∼xlna(a>0,a=1)
- 1−cosx∼21x2
- (1+x)a−1∼ax
代换定理:若在同一极限过程中,α∼α′ 且 β∼β′,且 limβ′α′ 存在,则:
limβα=limβ′α′
计算时的注意事项:
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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:limx→0ln(1+3x)sin2x=limx→03x2x=32
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加减法项不可随意代换:若无穷小处于加减运算法则中(如 α−β),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。