Calculus · real student question

จงหาลิมิตของ ln(1 + 2^x) คูณกับ ln(1 + 2/x) เมื่อ x เข้าสู่อนันต์ทางบวก

Question

จงหาค่า

limx+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. ระบุรูปแบบไม่กำหนด เมื่อ x+x\to+\infty ตัวประกอบแรก ln(1+2x)+\ln(1+2^x)\to+\infty ขณะที่ตัวประกอบที่สอง ln(1+2x)ln1=0\ln\left(1+\tfrac{2}{x}\right)\to\ln 1=0 ผลคูณจึงเป็นชนิด 0\infty\cdot 0 ซึ่งลู่เข้าสู่อะไรก็ได้ ต้องนำตัวประกอบทั้งสองมาชั่งน้ำหนักกัน

  2. แทนตัวประกอบที่โตด้วยส่วนที่มีอิทธิพลสูงสุด ดึง 2x2^x ออกมาข้างในลอการิทึม

    ln(1+2x)=ln[2x(1+2x)]=xln2+ln(1+2x)\ln(1+2^x)=\ln\left[2^x\left(1+2^{-x}\right)\right]=x\ln 2+\ln\left(1+2^{-x}\right)

    ส่วนแก้ ln(1+2x)0\ln(1+2^{-x})\to 0 ดังนั้น

    ln(1+2x)xln21,นั่นคือln(1+2x)xln2\frac{\ln(1+2^x)}{x\ln 2}\to 1,\qquad\text{นั่นคือ}\qquad \ln(1+2^x)\sim x\ln 2

    การเขียนเอกลักษณ์ที่แน่นอนออกมา แทนที่จะพูดลอย ๆ คือสิ่งที่ทำให้ความสมมูลนี้รัดกุม

  3. แทนตัวประกอบที่หายไปด้วยการประมาณเชิงเส้น ให้ t=2x0t=\tfrac{2}{x}\to 0 ความสมมูลมาตรฐาน ln(1+t)t\ln(1+t)\sim t ให้

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

    ซึ่งมาจาก limt0ln(1+t)t=1\lim_{t\to 0}\frac{\ln(1+t)}{t}=1 โดยตรง อันเป็นอนุพันธ์ของ ln(1+t)\ln(1+t) ที่ t=0t=0

  4. คูณความสมมูลทั้งสองเข้าด้วยกัน ความสมมูลเชิงเส้นกำกับคงอยู่ภายใต้การคูณ ดังนั้น

    ln(1+2x)ln(1+2x)(xln2)2x=2ln2\ln(1+2^x)\ln\left(1+\frac{2}{x}\right)\sim (x\ln 2)\cdot\frac{2}{x}=2\ln 2

    ตัว xx ตัดกันพอดี ลอการิทึมโตแบบเชิงเส้นและอีกตัวประกอบสลายตัวแบบ 1/x1/x ผลคูณจึงลงตัวที่ค่าคงตัวจำกัด

  5. สรุปและหาค่า

    limx+ln(1+2x)ln(1+2x)=2ln2=ln41.3863\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. ตรวจการลู่เข้าเชิงตัวเลข ที่ x=100x=100 ผลคูณเท่ากับ 1.372611.37261 ที่ x=1000x=1000 เท่ากับ 1.384911.38491 และที่ x=104x=10^4 เท่ากับ 1.3861561.386156 ค่อย ๆ ไต่เข้าหา 2ln2=1.3862942\ln 2=1.386294 การลู่เข้าค่อนข้างช้า (ความคลาดเคลื่อนอยู่ในอันดับ 1/x1/x) ซึ่งตรงกับที่พจน์ที่เราตัดทิ้งทำนายไว้พอดี

Answer

2ln2=ln41.38632\ln 2=\ln 4\approx 1.3863

Need to solve a different problem like this? Open the solver →