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Calculus · real student question

求 x 趋于正无穷时 sinh x 除以 √(cosh 2x) 的极限。

Question

计算 lim⁡x→+∞sh⁡xch⁡(2x),\lim_{x\to+\infty}\frac{\operatorname{sh}x}{\sqrt{\operatorname{ch}(2x)}}, 其中 sh⁡\operatorname{sh} 与 ch⁡\operatorname{ch} 分别表示 sinh⁡\sinh 和 cosh⁡\cosh。

Step-by-step solution

  1. 先把记号翻译过来,并看清类型。 sh⁡x=sinh⁡x=ex−e−x2\operatorname{sh}x=\sinh x = \tfrac{e^x-e^{-x}}{2},ch⁡(2x)=cosh⁡2x=e2x+e−2x2\operatorname{ch}(2x)=\cosh 2x = \tfrac{e^{2x}+e^{-2x}}{2}。当 x→∞x\to\infty 时两者都趋于无穷,所以这个商是 ∞∞\tfrac{\infty}{\infty} 型 —— 在比出增长速度之前,它是未定的。

  2. 把分子里占主导的指数提出来。 sinh⁡x=ex2(1−e−2x).\sinh x = \frac{e^x}{2}\left(1-e^{-2x}\right). 这样就把增长部分(exe^x)和一个趋于 11 的括号分开了。

  3. 根号底下照做一遍。 cosh⁡2x=e2x2(1+e−4x)⟹cosh⁡2x=ex21+e−4x.\cosh 2x = \frac{e^{2x}}{2}\left(1+e^{-4x}\right) \Longrightarrow \sqrt{\cosh 2x} = \frac{e^{x}}{\sqrt2}\sqrt{1+e^{-4x}}. 开平方把指数减半,所以分母同样按 exe^x 增长 —— 两边速度相当,这正是极限既有限又非零的原因。

  4. 约掉公共因子。 sinh⁡xcosh⁡2x=ex2(1−e−2x)ex21+e−4x=22⋅1−e−2x1+e−4x.\frac{\sinh x}{\sqrt{\cosh 2x}} = \frac{\frac{e^x}{2}(1-e^{-2x})}{\frac{e^x}{\sqrt2}\sqrt{1+e^{-4x}}} = \frac{\sqrt2}{2}\cdot\frac{1-e^{-2x}}{\sqrt{1+e^{-4x}}}.

  5. 对剩下的部分取极限。 当 x→+∞x\to+\infty 时 e−2x→0e^{-2x}\to0、e−4x→0e^{-4x}\to0,所以那个分式趋于 11=1\tfrac{1}{1}=1,于是 lim⁡x→+∞sh⁡xch⁡2x=22=12≈0.70711.\lim_{x\to+\infty}\frac{\operatorname{sh}x}{\sqrt{\operatorname{ch}2x}} = \frac{\sqrt2}{2} = \frac{1}{\sqrt2} \approx 0.70711.

  6. 换恒等式的路子再走一遍,并配一个数值检查。 由于 cosh⁡2x=1+2sinh⁡2x\cosh 2x = 1+2\sinh^2 x,这个商等于 sinh⁡x/1+2sinh⁡2x→1/2\sinh x/\sqrt{1+2\sinh^2x} \to 1/\sqrt2(当 sinh⁡x→∞\sinh x\to\infty 时)—— 结论一致。在 x=30x=30 处直接算得 0.70710678120.7071067812。

Answer

22=12≈0.70711\frac{\sqrt2}{2} = \frac{1}{\sqrt2} \approx 0.70711

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