抱歉,好久没有写文章了,这段时间很多事,心情也不太好。恰好跟人讨论到这个我自己都很久没再提起的东西了,就找到当时的笔记,写出来图一乐。建议 pc 端或浏览器查看。

大家学习分析学的时候,连续性、极限是很重要的一些概念。而在求极限的时候,洛必达法则是简单好用的一种技巧。

然而有时候出于某些情况,比如函数不连续,求导没意义 (越导越复杂),让洛必达法则失效。对于前者往往需要去构造一些定义或者定理解决,后者一般采取级数展开的方式解决。

但看起来这些都稍显复杂,并且当时的我觉得这并不 “分析精神”。于是我自己开发出了一种基于等价无穷小的方法,它可以代替所有需要级数展开的方案,也可以通过引入辅助函数来改善原函数的渐进性质,解决函数连续性的问题。

我在大一时开的高数大物学习班里,就向学会的同学们讲过这种方法。总结成一句话就是:

等价无穷小的求导或积分,仍然是等价无穷小。

然而这并不严格。因为实际上这是交换了极限顺序,需要保证原式具有一致性。但在大多数情况下这并不是多么严重的问题,就像我们解微分方程时可以任意丢弃性质不好的解一样。

看起来这么简单的一句话,其实背后依赖的是分析学关于无穷的理解。

1. 无穷量与它的阶

我刚上大学那会儿热衷于非标准分析学,这个领域探讨的很重要的一个话题就是,什么是无穷。

目前来讲,有三种看法。

一种认为所谓的无穷就是趋近速度,比如我们认为 处, 是比 更高阶的无穷小,是因为 趋近 0 的速度比 大。
另一种是认为,无穷是一种关系,是两个数差距过大以后的一种代数关系。
最后一种,也是我比较赞同的,无穷是一种特殊的数,无穷小和无穷大是两个共轭的代数空间。在它们上面可以建立一种特殊的、基于无穷量的代数学。

我这里当然无意深入讨论这个话题,但总之,无穷是存在阶的,毕竟确实存在 这种事情。无穷大和无穷小也确实共轭,因为对于任一无穷大 ,总存在一无穷小 ,满足

也是在这个基础上,我们定义出了所谓的 “等价无穷小”,即相除后的极限为 1 的一对或一组无穷小。

例如

我们于是得到一组平时非常常用的等价无穷小

它们之间可以随意替换。只要愿意,我们还可以把这个写得更长。
虽说上面说的等价无穷小求导也是等价无穷小,但对来讲,求导是常数。所以对它来说,跟它等价的无穷小求导后也要给出同样的常数。这就是维系这一组等价无穷小的秘密。
下面就是积分,根据有两个同样重要的等价关系

其中积分常数是用来确保式子仍然是无穷小的。

并且这里我们发现,两个同阶无穷小相减会得到一个更高阶的无穷小,这是因为无穷小的减实际上是微分。
但无穷小的加仍然满足忽略高阶,合并同阶的性质。如

这里再举一个例子,我们经常碰到,它可以被直接替换为

而这些替换可以大大降低运算量,甚至免除级数展开的烦恼。

2.一个重要技巧

在一些需要级数展开的题中,往往存在这样两种关系

我们就想,既然 ,是否可以做到

我们先看一个案例

而显然根据 ,有 。可见,他们之间差

了一个因子。于是我们现在开发一种确定因子的办法。引入

同时求导并令它们相等,得

此时是可以反解的。例如在中,时有





这里再举一个有意义的例子,的等价无穷小是什么

首先,这个并不能通过添加+1-1来解决问题,因为最后得到的结果是同阶无穷小减

同阶无穷小,直接看并不知道到底是多少。

先研究它的导数

于是





完毕。