Задача №1
Условие
Найти \(\displaystyle{\lim_{x\to{2}}\frac{\sqrt[5]{3x-5}-1}{\sqrt[3]{3x-5}-1}}\).
Решение
Мы имеем дело с неопределенностью \(\displaystyle{\frac{0}{0}}\). Конечно, можно применить домножение на сопряжённые выражения, как мы делали в первой части темы, однако такой метод решения несколько громоздок. Рассмотрим иные варианты.
Первый способ: замена
В таких ситуациях, когда выражения под корнями одинаковы, можно использовать замену. Требуется заменить выражение под корнем (т.е. \(\displaystyle{3x-5}\)), введя некоторую новую переменную. Однако простое использование новой буквы ничего не даст. Представьте, что мы просто заменили выражение \(\displaystyle{3x-5}\) буквой \(\displaystyle{t}\). Тогда дробь, стоящая под пределом, станет такой: \(\displaystyle{\frac{\sqrt[5]{t}-1}{\sqrt[3]{t}-1}}\). Иррациональность никуда не исчезла, – лишь несколько видоизменилась, что нисколько не облегчило задачу.
Здесь уместно вспомнить, что убрать корень поможет степень, но какую именно степень использовать? Вопрос не тривиален, ведь у нас два корня. Один корень пятой, а другой – третьей степени. Степень замены должна быть такой, чтобы одновременно убрать оба корня. Нам нужно натуральное число, которое одновременно делилось бы на \(\displaystyle{3}\) и на \(\displaystyle{5}\). Таких чисел бесконечное множество, но наименьшее из них – число \(\displaystyle{15}\). Полагая \(\displaystyle{t^{15}=3x-5}\), будем иметь:
Корни исчезли, остались лишь степени. Следовательно,
При этом нужно отметить, что так как \(\displaystyle{t=\sqrt[15]{3x-5}}\) и \(\displaystyle{x\to{2}}\), то \(\displaystyle{t\to{1}}\). Теперь можем вернуться к пределу:
В ходе преобразований мы раскладывали на множители многочлены \(\displaystyle{t^3-1}\) и \(\displaystyle{t^5-1}\). В принципе, для этого есть готовые формулы, но можно использовать и схему Горнера. Для примера разделим многочлен \(\displaystyle{t^5-1}\) на \(\displaystyle{t-1}\) с помощью схемы Горнера:
Из второй строки таблицы записываем результат:
Второй способ: следствие из второго замечательного предела
Для решения этим способом желательно, хоть и не обязательно, осуществить замену с таким расчётом, чтобы новая переменная устремилась к нулю. В данном случае полагаем \(\displaystyle{t=x-2}\), при этом \(\displaystyle{t\to{0}}\).
Далее мы вспоминаем формулу №5 из темы про следствия из второго замечательного предела. Разделим числитель и знаменатель на \(\displaystyle{3t}\), чтобы иметь возможность применить упомянутую формулу:
Третий способ: формула Маклорена
Тут можно обойтись и без замены переменной, однако с моей точки зрения такая замена всё же удобна. Как и при решении предыдущим способом полагаем \(\displaystyle{t=x-2}\), при этом \(\displaystyle{t\to{0}}\). Применим формулу Маклорена с остаточным членом в форме Пеано:
Полагая \(\displaystyle{x=3t}\) и \(\displaystyle{\alpha=\frac{1}{5}}\), получим:
Аналогично имеем \(\displaystyle{(1+3t)^{\frac{1}{3}} = 1 + t + o(t)}\). Теперь вернёмся к пределу: