求解:
$$\lim_{x \rightarrow 0^{+}} \frac{\int_{0}^{x} \sqrt{x – t} e^{t} \mathrm{d} t}{\sqrt{x^{3}}}.$$
解析观察可知,题目所给式子的分子是一个变上限积分,对于这样的积分我们一般需要进行求导运算。
但是,这里需要注意的是,由于 $\int_{0}^{x} \sqrt{x – t} e^{t} \mathrm{d} t$ 中事实上有两个变量,即 $x$ 和 $t$, 而且被积的式子 $\sqrt{x – t} e^{t}$ 中含有与积分上限相同的变量 $x$.
我们知道,在对变限积分求导时,我们需要用积分上限或者下限中的变量替换被积函数中【唯一】的变量(即“积分变量”),如果被积函数中的变量不唯一,那么,我们就需要将除了积分变量之外的其余变量视为常数,并且将这些被视为常数的变量移到积分的外边,以免受变限积分求导过程的影响。
在本题中,我们可以通过积分式子 $\int_{0}^{x} \sqrt{x – t} e^{t} \mathrm{d} t$ 中的 $\mathrm{d} t$ 判断出,积分变量是 $t$, 在积分没有被求导过程消去之前,需要被视为常数的变量是 $x$.
为了将需要被视为常数的变量 $x$ 移动到积分式子的外面,我们一般需要用到换元法,而根据换元方式的不同,本题至少有以下两种解法:
方法一$$\lim_{x \rightarrow 0^{+}} \frac{\int_{0}^{x} \sqrt{x – t} e^{t} \mathrm{d} t}{\sqrt{x^{3}}} \Rightarrow$$
$$令 u = x – t \Rightarrow$$
$${\color{White}\left\{\begin{matrix}u = x – t;\\t = x – u.\end{matrix}\right.\Rightarrow}$$
$${\color{White}\left\{\begin{matrix}t \in (0,x);\\u \in (x , 0).\end{matrix}\right.\Rightarrow}$$
$$\lim_{x \rightarrow 0^{+}} \frac{\int_{x}^{0} \sqrt{u} e^{x-u} \mathrm{d} (x-u)}{\sqrt{x^{3}}} \Rightarrow$$
$$\lim_{x \rightarrow 0^{+}} \frac{ e^{x} \int_{x}^{0} \sqrt{u} e^{-u} [-\mathrm{d} (u)]}{\sqrt{x^{3}}} \Rightarrow$$
$$\lim_{x \rightarrow 0^{+}} \frac{\int_{0}^{x} \sqrt{u} e^{-u} \mathrm{d} u}{\sqrt{x^{3}}} \Rightarrow$$
注:
[1]. $\lim_{x \rightarrow 0^{+}} e^{x} = 0$.
$$\lim_{x \rightarrow 0^{+}} \frac{\int_{0}^{x} \sqrt{u} e^{-u} \mathrm{d} u}{x^{\frac{3}{2}}} \Rightarrow$$
$${\color{White}使用洛必达法则,分子分母同时求导 \Rightarrow}$$
$$\lim_{x \rightarrow 0^{+}} \frac{\sqrt{x} e^{-x}}{\frac{3}{2}x^{\frac{1}{2}}} \Rightarrow$$
$$\lim_{x \rightarrow 0^{+}} \frac{\sqrt{x}}{\frac{3}{2}\sqrt{x}} = \frac{2}{3}.$$
方法二$$\lim_{x \rightarrow 0^{+}} \frac{\int_{0}^{x} \sqrt{x – t} e^{t} \mathrm{d} t}{\sqrt{x^{3}}} \Rightarrow$$
$$令 u = \sqrt{x – t} \Rightarrow$$
$${\color{White}\left\{\begin{matrix}u = \sqrt{x – t};\\t = x – u^{2}.\end{matrix}\right.\Rightarrow}$$
$${\color{White}\left\{\begin{matrix}t \in (0, x);\\u \in (\sqrt{x}, 0).\end{matrix}\right.\Rightarrow}$$
$$\lim_{x \rightarrow 0^{+}} \frac{\int_{\sqrt{x}}^{0} u e^{x-u^{2}} \mathrm{d} (x – u^{2})}{\sqrt{x^{3}}} \Rightarrow$$
$$\lim_{x \rightarrow 0^{+}} \frac{e^{x} \int_{\sqrt{x}}^{0} u e^{-u^{2}} [-2u \mathrm{d} (u)]}{\sqrt{x^{3}}} \Rightarrow$$
$$\lim_{x \rightarrow 0^{+}} \frac{e^{x} \int_{0}^{\sqrt{x}} u e^{-u^{2}} [2u \mathrm{d} (u)]}{\sqrt{x^{3}}} \Rightarrow$$
$$\lim_{x \rightarrow 0^{+}} \frac{2 e^{x} \int_{0}^{\sqrt{x}} u^{2} e^{-u^{2}} \mathrm{d} u}{\sqrt{x^{3}}} \Rightarrow$$
$$\lim_{x \rightarrow 0^{+}} \frac{2 e^{x} \int_{0}^{\sqrt{x}} u^{2} e^{-u^{2}} \mathrm{d} u}{x^{\frac{3}{2}}} \Rightarrow$$
$${\color{White}使用洛必达法则,分子分母同时求导 \Rightarrow}$$
$$\lim_{x \rightarrow 0^{+}} \frac{2 e^{x} x e^{-x} (\sqrt{x})^{‘}}{\frac{3}{2} x^{\frac{1}{2}}} \Rightarrow$$
$$\lim_{x \rightarrow 0^{+}} \frac{2 x (\frac{1}{2} x ^{\frac{-1}{2}})}{\frac{3}{2} x^{\frac{1}{2}}} \Rightarrow$$
$$\lim_{x \rightarrow 0^{+}} \frac{x^{\frac{1}{2}}}{\frac{3}{2} x^{\frac{1}{2}}} = \frac{2}{3}.$$