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Calculus · real student question

求 x 趨近正無限大時,ln(1 + 2 的 x 次方) 乘以 ln(1 + 2/x) 的極限。

Question

求

lim⁡x→+∞ln⁡(1+2x)ln⁡(1+2x)\lim_{x\to+\infty}\ln\left(1+2^x\right)\ln\left(1+\frac{2}{x}\right)

Step-by-step solution

  1. 先辨認不定型。 x→+∞x\to+\infty 時第一個因式 ln⁡(1+2x)→+∞\ln(1+2^x)\to+\infty,第二個因式 ln⁡(1+2x)→ln⁡1=0\ln\left(1+\tfrac{2}{x}\right)\to\ln 1=0。乘積屬於 ∞⋅0\infty\cdot 0 型,結果可能是任何值;必須把兩個因式互相比較。

  2. 把發散的因式換成它的主導部分。 在對數裡把 2x2^x 提出來:

    ln⁡(1+2x)=ln⁡[2x(1+2−x)]=xln⁡2+ln⁡(1+2−x)\ln(1+2^x)=\ln\left[2^x\left(1+2^{-x}\right)\right]=x\ln 2+\ln\left(1+2^{-x}\right)

    修正項 ln⁡(1+2−x)→0\ln(1+2^{-x})\to 0,所以

    ln⁡(1+2x)xln⁡2→1,i.e.ln⁡(1+2x)∼xln⁡2\frac{\ln(1+2^x)}{x\ln 2}\to 1,\qquad\text{i.e.}\qquad \ln(1+2^x)\sim x\ln 2

    寫出精確的恆等式而不是含糊帶過,正是這個等價關係之所以嚴謹的原因。

  3. 把趨於零的因式換成它的線性近似。 令 t=2x→0t=\tfrac{2}{x}\to 0,標準等價 ln⁡(1+t)∼t\ln(1+t)\sim t 給出

    ln⁡(1+2x)∼2x\ln\left(1+\frac{2}{x}\right)\sim\frac{2}{x}

    這直接來自 lim⁡t→0ln⁡(1+t)t=1\lim_{t\to 0}\frac{\ln(1+t)}{t}=1,也就是 ln⁡(1+t)\ln(1+t) 在 t=0t=0 處的導數。

  4. 把兩個等價關係相乘。 漸近等價在乘法下保持不變,所以

    ln⁡(1+2x)ln⁡(1+2x)∼(xln⁡2)⋅2x=2ln⁡2\ln(1+2^x)\ln\left(1+\frac{2}{x}\right)\sim (x\ln 2)\cdot\frac{2}{x}=2\ln 2

    xx 恰好消掉 —— 對數以線性速度成長,另一個因式以 1/x1/x 衰減,所以乘積停在一個有限常數上。

  5. 寫下結論並求值。

    lim⁡x→+∞ln⁡(1+2x)ln⁡(1+2x)=2ln⁡2=ln⁡4≈1.3863\boxed{\lim_{x\to+\infty}\ln(1+2^x)\ln\left(1+\frac{2}{x}\right)=2\ln 2=\ln 4\approx 1.3863}

  6. 用數值檢查收斂。 x=100x=100 時乘積是 1.372611.37261,x=1000x=1000 時是 1.384911.38491,x=104x=10^4 時是 1.3861561.386156 —— 一路爬向 2ln⁡2=1.3862942\ln 2=1.386294。逼近很慢(誤差是 1/x1/x 等級),這正是被捨去的項所預測的。

Answer

2ln⁡2=ln⁡4≈1.38632\ln 2=\ln 4\approx 1.3863

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