3.2 洛必达法则

高等数学A1



周维祺

洛必达法则

  • 若lim⁡x→af(x)=lim⁡x→ag(x)=0或∞\lim_{x\to a}f(x)=\lim_{x\to a}g(x)=0 或 \infty

  • 在aa的某去心邻域内f,gf,g可导,且g′(x)≠0g'(x)\neq 0

  • lim⁡x→af′(x)g′(x)=A\lim_{x\to a}\frac{f'(x)}{g'(x)}=A (AA可以为无穷)

  • 则 lim⁡x→af(x)g(x)=lim⁡x→af′(x)g′(x)\lim_{x\to a}\frac{f(x)}{g(x)}=\lim_{x\to a}\frac{f'(x)}{g'(x)}

洛必达法则

(一定条件下)

lim⁡x→af(x)g(x)=lim⁡x→af′(x)g′(x)\lim_{x\to a}\frac{f(x)}{g(x)}=\lim_{x\to a}\frac{f'(x)}{g'(x)}

洛必达法则

  • 也允许:

  • aa为无穷,极限为单侧极限

  • 几种常见形态:00,∞∞,0∞,∞0\frac{0}{0}, \frac{\infty}{\infty}, 0^{\infty}, \infty^0等等

例子

  • lim⁡x→0sin⁡xx=lim⁡x→0cos⁡x1=1\lim_{x\to 0}\frac{\sin x}{x}=\lim_{x\to 0}\frac{\cos x}{1}=1

  • lim⁡x→0ln⁡(1+x)1x=lim⁡x→0ln⁡(1+x)x=lim⁡x→011+x=1\lim_{x\to 0}\ln(1+x)^{\frac{1}{x}}=\lim_{x\to 0}\frac{\ln(1+x)}{x}=\lim_{x\to 0}\frac{1}{1+x}=1

  • lim⁡x→∞2x2+33x2+2=lim⁡x→∞4x6x=lim⁡x→∞46=23\lim_{x\to \infty}\frac{2x^2+3}{3x^2+2}=\lim_{x\to \infty}\frac{4x}{6x}=\lim_{x\to \infty}\frac{4}{6}=\frac{2}{3}

洛必达法则的证明(0/00/0型)

  • 令F(x)={f(x)x≠a0x=aF(x)=\begin{cases} f(x) & x\neq a \\ 0 & x=a\end{cases},G(x)={g(x)x≠a0x=aG(x)=\begin{cases} g(x) & x\neq a \\ 0 & x=a\end{cases}

  • 在aa附近对F/GF/G应用柯西中值定理

  • lim⁡x→af(x)g(x)=lim⁡x→aF(x)−F(a)G(x)−G(a)=lim⁡ξ→aF′(ξ)G′(ξ)=lim⁡ξ→af′(ξ)g′(ξ)\lim\limits_{x\to a}\frac{f(x)}{g(x)}=\lim_{x\to a}\frac{F(x)-F(a)}{G(x)-G(a)}=\lim\limits_{\xi\to a}\frac{F'(\xi)}{G'(\xi)}=\lim\limits_{\xi\to a}\frac{f'(\xi)}{g'(\xi)}

  • ∞/∞\infty/\infty型的证明略

练习

  • 计算以下极限:

  • lim⁡x→∞x2+ln⁡xxln⁡x\lim_{x\to\infty}\frac{x^2+\ln x}{x\ln x}

  • lim⁡x→∞x(arctan⁡x−π)\lim_{x\to\infty}x(\arctan x-\pi)

  • lim⁡x→∞x+sin⁡xx−cos⁡x\lim_{x\to\infty}\frac{x+\sin x}{x-\cos x}

一些反例

  • 0/00/0或∞/∞\infty/\infty是必要的
    例lim⁡x→1x+12x+1=23≠12=lim⁡x→1(x+1)′(2x+1)′\lim\limits_{x\to1}\frac{x+1}{2x+1}=\frac{2}{3}\neq\frac{1}{2}=\lim\limits_{x\to1}\frac{(x+1)'}{(2x+1)'}

  • f′(x)/g′(x)f'(x)/g'(x)存在是必要的
    例:lim⁡x→∞x+sin⁡xx=1\lim\limits_{x\to\infty}\frac{x+\sin x}{x}=1, 而lim⁡x→∞(x+sin⁡x)′(x)′=lim⁡x→∞1+cos⁡x\lim\limits_{x\to\infty}\frac{(x+\sin x)'}{(x)'}=\lim\limits_{x\to\infty}1+\cos x 不存在

  • 在aa附近g′(x)≠0g'(x)\neq0是必要的
    例:lim⁡x→∞1sin⁡x\lim\limits_{x\to\infty}\frac{1}{\sin x}不存在,但导数之比的极限存在

练习

  • 计算lim⁡x→∞x2e1x2\lim_{x\to \infty}x^2e^{\frac{1}{x^2}}

  • 计算lim⁡x→∞(1x−1−1ln⁡x)\lim_{x\to \infty}(\frac{1}{x-1}-\frac{1}{\ln x})

  • 计算lim⁡x→0(sin⁡xx)11−cos⁡x\lim_{x\to 0}(\frac{\sin x}{x})^{\frac{1}{1-\cos x}}

例子

  • 计算lim⁡x→∞(ex+e−xex−e−x)\lim\limits_{x\to \infty}(\frac{e^x+e^{-x}}{e^x-e^{-x}})

  • 直接运用法则:
    lim⁡x→∞(ex+e−xex−e−x)=lim⁡x→∞(ex−e−xex+e−x)=lim⁡x→∞(ex+e−xex−e−x)=...\lim\limits_{x\to \infty}(\frac{e^x+e^{-x}}{e^x-e^{-x}})=\lim\limits_{x\to \infty}(\frac{e^x-e^{-x}}{e^x+e^{-x}})=\lim\limits_{x\to \infty}(\frac{e^x+e^{-x}}{e^x-e^{-x}})=...

  • 作变换:
    lim⁡x→∞(ex+e−xex−e−x)=lim⁡x→∞(1+e−2x1−e−2x)=1\lim\limits_{x\to \infty}(\frac{e^x+e^{-x}}{e^x-e^{-x}})=\lim\limits_{x\to \infty}(\frac{1+e^{-2x}}{1-e^{-2x}})=1

练习

lim⁡x→∞(x12+x−12x12−x−12)=?\lim\limits_{x\to \infty}(\frac{x^{\frac{1}{2}}+x^{-\frac{1}{2}}}{x^{\frac{1}{2}}-x^{-\frac{1}{2}}})=?

小结

  • 洛必达法则

  • 前提条件及其必要性

  • 一些常见形态的处理