当前课程知识点:微积分——极限理论与一元函数 > 第五章 导数应用 > 第二节 L'Hospital 法则 > 0/0型不定式
前面我们介绍过微分中值定理
微分中值定理它就给出了我们
把函数与导数联系在一起的关系
有了微分中值定理这些关系之后
我们接下来就可以讨论一些具体的
在函数问题中常见的一些情况
比如我们要介绍的第一个问题就是说
怎么样利用导数运算来求函数值的大小
这在微积分里面我们统称为罗比达法则
这是我们这一章第二节的内容
罗比达法则
就是关于罗比达法则
尽管我们是以罗比达的名字命名的
实际这个法则本身应该是由瑞士数学家
约翰伯努利提出的
罗比达应该说可以说是伯努利的学生
因为罗比达把这个求极限的方法
在他写的一本教材里面做了介绍
而这本教材应该是在就是十七世纪末出现的
也是历史上第一本有关所谓分析的教材
或者是微积分的教材
因为他首先做的介绍
所以现在我们习惯上
把这个方法称为罗比达法则
那我们看一下
罗比达法则处理的具体问题是什么
因为我们知道
函数极限就是除了极限过程比较丰富之外
有时候我们碰到的问题也是比较多样的
所以我们就先看一下
所谓的0比0型的不定式
它怎么定值
首先什么叫0比0型的不定式
从这个形式大家可以很容易想到
它指的主要就是一个分式函数
在同一个极限过程下
分子分母都趋向于0的情况
这个时候我们自然不能用极限的除法运算
所以说这时候我们把它称为不定式
之所以称为不定式就是说
这个形式的分式函数在求极限的过程中
它有可能极限存在是个具体的值
也有可能极限不存在但它是个无穷大量
但是第三种情况也是可以的
就是极限既不存在也不是无穷大
所以说我们把它叫不定式
那我们看一下这个时候这个罗比达法则
主要指的是什么样子
我们先看一下就是x趋向于x_0时
就是说这个0比0型不定式怎么定值
写一个定理
定理是这样子的
若函数f(x)g(x)满足
第一个首先我们考虑的问题
是在这个极限过程下
它们都是无穷小量
或者是说它们的极限都存在而且都等0
第二个就是在x_0附近
然后f'(x)g'(x)都是存在的
当然做分母的不能等0
也就是g'(x)不等0
第三个就是说x趋向于x_0这一个极限过程下
f'(x)比上g'(x)
它的极限比如说是存在的
或者是极限不存在但它是无穷大
如果是这样子的时候我们的结论就是
则我们要处理的这个极限问题
也就是f(x)比上g(x)
这就是一个0比0型的不定式的问题
它就应该跟这个分式函数的极限问题
结论是完全一样的
什么叫结论完全一样
也就是说如果它极限等于1的时候
我原来这个极限也等于1
如果它是无穷大量的时候
我原来这个分式也是无穷大量
我想这样一说的时候大家知道
罗比达法则自然也是有限制的
它的限制就是说
如果这个分式它既没有极限又不是无穷大
那说明对这种情况我是没有罗比达法则的
也就是我罗比达法则没法处理那种情况的
我想这是咱们这个结论
接下来我们看一下这个证明
这个证明实际上在这个条件下
应该是很简单的
尽管我们在这个地方只是说
它在这附近一阶偏导数存在
也就在x_0这点因为我们讨论的是极限问题
自然不关心它在x_0的情况
但是如果仅仅是在这一点
我不知道它的性质的时候
大家看我可以构造一个简单的辅助函数
就是F等于f(x)
这是x不等于x_0
然后接下来在x等于x_0 我定义成0
类似的G(x)在x不等于x_0时
我们定义成g(x)
在x等x_0时
让它函数值等0
那么请大家看一下F(x)G(x)
是不是应该满足闭区间连续
所谓闭区间指的是一个端点是x_0
另外一个端点是x
开区间内可导
然后这个时候
我就可以用所谓的柯西中值定理了
因为这时候大家看一下
我的f(x)比上g(x)
自然可以写成F(x)比上G(x)
这个自然可以表示成F(x)减掉F(x_0)
比上G(x)减掉G(x_0)
因为这两个是等0的
用一下我们前面介绍过的柯西中值定理
这就是F'(ξ)比上G'(ξ)
ξ是介于这两个点之间的一个点
自然是不等于x_0
这个时候也就是f'(ξ)g'(ξ)
那这个时候大家看一下
如果我这面让x趋向于x_0
因为这个ξ是介于x和x_0之间的一个点
是不是意味着我们的ξ也趋向于x_0
而我们的条件是什么
我们的条件是说这个导数之比极限存在
或者是无穷大
所以说如果导数之比极限存在
或者是无穷大的时候
那么特别的在ξ趋向于x_0时
这个也是极限存在或者说是无穷大量
这样利用极限的运算我们自然就知道
这个极限x趋向于x_0时 f(x)g(x)
应该就等于x趋向x_0时
这是f'(x)g'(x)
但是接下来说如果这个极限不存在
这个也不是无穷大量的时候
为什么说你这个等号不能用
因为是这样子的
x趋向x_0时这个导数之比极限不存在
并不意味着我以特殊的方式
让这个点趋向于x_0时
它极限也是不存在的
也就是说一般的
这个极限过程极限不存在的时候
我这是一个特殊的极限过程
它有可能是存在的
如果它存在的时候自然意味着
我这个函数之比极限也是存在的
换句话说大家可以现在简单的想象一下
也就是说导数之比极限不存在的时候
你用这个等式你是无法说清楚
它函数极限也是不存在的
事实上它有可能是存在的
也正是因为这样所以说我们罗比达法则
只对这两种情况是适用的
这是关于这个证明
有了这个证明之后
我们自然问这么一个问题
这个问题是我们前面曾经学过
这么一个极限
叫sinx比上x在x趋向于0时极限是1
大家应该能够回忆起来
我们怎么样得到了这个结论
实际上我们是有了函数极限的夹逼定理之后
用夹逼定理严格给出了一个证明
我想这个证明尽管不算太难
但对于我们初学者来说
实际上也是一个有一定难度的证明
有的同学就说了说你太麻烦了
说你这个不就是一个0比0型的不定式吗
你有了罗比达法则之后
你为什么不这样写
分子的导数是cosx
分母的导数是1
你又知道cosx在x趋向于0时
这不就等于1吗
这多简单
但是大家注意这个不能作为这个重要极限的证明
原因是什么
我就再问大家一个问题
你sinx的导数为什么等于cosx
我们是用导数定义给出证明的
在做这个导数定义的证明过程中
如果大家没有忘掉的时候
你应该记得我们曾经用到过这个极限是1的
也就是换句话说
如果大家忘了这个极限等于1
你可以用罗比达法则这样来记忆
但是千万不要认为我这个等号
就证明了罗比达法则
因为在证明这个等号的过程中
你已经用到了这个极限是1
我想这是一个问题
因为学完微积分之后
可能光记住了一些极限结论
而忘掉了这些结论是怎么来的
有时候可能会出现这种让人困惑的想法
这是这个东西
接下来我们看几个简单例题
第一个例题求一下x趋向于0
x减掉x倍的cosx除上x减sinx
大家一看这是0比0型的
而且导数存在
在0点附近导数不会等0的
那直接用罗比达法则
x趋向于0
这个地方就是1减掉cosx
上面如果我不做任何变形的时候
也就是1减掉cosx
再加上x倍的sinx
我想这个题目做到这
我们就应该能得到结果
因为第一部分除上这个分母是1
第二部分这应该是跟x平方等价的
而这个是跟二分之一倍x平方等价
所以后面这个一除极限应该是2
所以这整个极限应该等3
当然如果有的同学说我没有看出来
但是我看出来它仍然是0比0型的
没关系仍然是0比0型的
咱就再用一次罗比达法则
分母的导数
分子的导数应该是sinx
再加上sinx再加上x乘上cosx
我想到了这一步大家看
前面这个极限是2
后面这个极限是1
所以你应该能看出来等于3来了
当然有的同学说我还看不出来
没关系我就再给你一次机会
因为它还是0比0型的
所以我们就再求一次
这就是cosx分之
上面这是一个两倍的cosx再加cosx
再减掉x乘上sinx
我想到了这一步
你无论如何应该能看出来了
它的结果等3
因为这就是除法运算了
当然就这个题目来说
大家注意就是说
我要做的时候我能不能先化简
最后使得这个过程简单点
这个地方应该有一步可以化简的
因为这个分子是x乘上1减cosx
1减cosx大家知道
它就跟二分之一x平方等价
所以这个问题应该可以这样去做
会稍微简单一点
原式等于x趋向于0
然后这个地方就是
x乘上二分之一倍的x的平方
再是个x减掉sinx
这应该是相等的
然后这是个0比0型的东西
我们用一次罗比达法则
x趋向于0
这个地方应该是二分之三倍的x平方
这个地方除上的是1减cosx
我想到了这个地方
大家是非常容易想到x平方除上1减cosx
它的极限应该是2
好 2乘二分之三等3
我想第二个方法也就是提醒大家
在用罗比达法则求极限的过程中
因为我们会牵扯到导数运算
如果大家能够把这个乘除因子
能够尽可能的用它的等价物去代替的时候
那么我们会对导数做很大的化简
我想这是第一道例题
接下来第二道例题
我们来看一下这道题
再除上x减sinx
这个大家都能看出来这是个0比0型的不定式
所以我们做这个问题的时候
也是先用罗比达法则
x趋向于0
底下是1减cosx
上面大家求导
注意这面是加上e的-x次方
再减掉2
那这个大家一看在x趋向于0的过程下
仍然是0比0型的
所以我们就再用一次x趋向于0
这面是e的x次方减掉e的-x次方
再除上x
这当然还是0比0型的
那我们最后再用一次
x趋向于0
就是cosx
e的x次方加上e的-x次方
到了这个形式大家知道
分子的极限是2
分母极限是1
利用极限的除法运算
结果就出来了
我想这个题
跟刚才我们这道题的第一种做法是类似的
也就是在求极限的过程中
你只要保证它是0比0型的
你不妨再继续用罗比达法则往下化简
在这种情况我们举最后一道例题
就是举一道x趋向于0
x平方sin x分之一 再比上x
譬如说为了让大家不那么明显的把x消掉
比上sinx
这是个0比0型的东西
当然0比0型的东西
我们就试着看一下能不能用罗比达法则
分母的极限是cosx
分母的导数是cosx
分子的导数应该是两倍的x乘上sin x分之一
这个地方大家求一下
它这个一个复合求导
复合求导之后应该是加上cos x分之一
减掉
因为它x分之一求导是负的x方分之一
负的x方分之一 跟它消掉是个-1
所以就减掉这个东西
我想到了这一步之后大家注意
分母的极限是1
分子两部分第一部分极限是0
第二部分极限不存在
所以分子极限是不存在的
也就是说这个时候就出现了我们担心的情况
什么情况就是分子的导数跟分母的导数之比
极限既不存在也不是无穷大
那这时候说明
刚才我们不过就是做一个简单热身
也就是说这个等号
这个时候我们是不能写的
那回过头来这确实是一个极限
它的情况是确定的
这个极限大家可以看
我可以这样去求
x趋向于0 x比上sinx
再乘上x乘上sin x分之一
这个极限是1
这个是无穷小量与有界变量乘积极限是0
所以这个答案应该等于0
这就是我们0比0型出现了
不能用罗比达法则的情况
我们一定要想其他办法去求这样的极限
刚才我们介绍了x趋向x_0时
0比0型不定式的定值法
但是我们知道在x趋向无穷时
它也可能会出现分式函数
分子分母同时趋向于0的情况
所以接下来我们简单说一下在x趋向于无穷时
然后0比0型不定式
它的定值法
这个定理跟刚才x趋向于x_0时
是类似的
也就是说我们假设f(x)g(x)
满足三个条件
第一个就是在x趋向无穷时
它们极限都是0
x趋向无穷时极限都是0
第二个然后f'(x)g'(x)在无穷远附近
存在这个导数
而且g(x)导数不等于0
第三个也就是在同一个极限过程
也就是x趋向无穷时
f'(x)比上g'(x)极限存在
或者是极限不存在是无穷大
结论则x趋向于无穷时
我们f(x)比上g(x)
这个0比0型不定式的极限情况
就跟x趋向无穷时
f'(x)比上g'(x)的极限情况是一样的
我想在这个结论里面我只给大家解释
在无穷附近指的是什么
实际在前面介绍x趋向无穷时极限的时候
我们曾经说到了
所谓的无穷附近指的是
在某一个闭区间之外它都怎么样
其他的跟x趋向于x_0时的
都是类似的
这个我们也给一个简短的证明
这个证明是这样子的
因为我们已经知道了x趋向于一个确定点时
那个所谓的罗比达法则是成立的
那这个时候大家看一下
我们只要把这个极限过程
通过一个简单的变量替换
变成我们已经知道的情况就可以了
我就让x等于t分之一
那么x趋向于无穷自然等价于t趋向于0
这个时候就是f(t分之一)除上g(t分之一)
请大家注意一下因为这个函数
分子分母应该都是简单的复合函数
在给定条件下它们导数也是存在的
所以这个时候这个关于p的这个复合函数
就满足刚才我们介绍过的
x趋向于x_0时的那个罗比达法则的条件
它自然可以用我们已经得到的结果
就是t趋向于0
上面就是它的导数
复合函数求导再乘上负的t方分之一
然后接下来就是g'(t分之一)
再乘上负的t方分之一
这样上下这个因子都消掉
我们再把这个极限过程
通过变量替换换回去
也就是x是等于t分之一的
那极限过程就是x趋向于无穷
这就是f'(x)再除上g'(x)
这样有了x趋向于x_0时的情况
我们就得到了x趋向于无穷时它也是对的
当然大家说你x趋向于x_0
它有所谓的左极限右极限
请大家想一下
只要证明了x趋向于x_0是对的
左极限右极限自然是对的
只要得到了在x趋向于无穷时的结果
我自然也就知道
x趋向于正无穷和x趋向于负无穷时
有类似的结论
这些我们都不展开讨论了
比如说我们看一个简单的例题
也就是我要考虑x趋向于正无穷
上面是二分之π减掉arctanx
底下我们是x分之一
那么大家一看这是个简单分式函数
而且在x趋向无穷时
因为arctanx的极限是二分之π
所以这应该是一个0比0型的不定式
那我们用一次罗比达法则
也就是x趋向于正无穷
底下一求导是负的x方分之一
上面一求导是负的1加x方分之一
那这个地方我们做一个简单的整理
这是x趋向于正无穷
这就是x方除上1加x方
这当然在这个极限过程下
分子分母都是无穷大量
实际上我们即使不做下面这个变形
大家也应该知道它的极限是什么
我们做个变形就变成了上下同除x的平方
现在分子极限是1
分母极限是1
所以最后结果就是1
这就是我们要介绍的
在某一个极限过程下
一个分式函数
分子分母都趋向于0时的罗比达法则
-序言
--序言
-第一节 实数集的界与确界
--实数集的界
--实数集的确界
-第一节思考与练习
--思考题
--练习题
-第二节 函数的概念
--分段函数与隐函数
-第二节思考与练习
--思考题
--练习题
-第三节 函数的运算
--函数的反函数
-第三节思考与练习
--思考题
--练习题
-第四节 函数的初等性质
--函数的凸性
-第四节思考与练习
--思考题
--练习题
-第五节 初等函数
--初等函数
-第五节思考与练习
--思考题
--练习题
-第六节 极坐标方程与参数方程表示的几种曲线
-第一节 数列极限的概念与性质
--无穷大量
-第一节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第一节思考与练习
-第二节 数列极限存在的充分条件
--单调有界收敛定理
-第二节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第二节思考与练习
-第三节 Bolzano定理与Cauchy收敛准则
-第三节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第三节思考与练习
-第四节 函数极限的概念与性质
--函数极限的概念
--函数极限的性质
-第四节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第四节思考与练习
-第五节 函数极限的运算
-第五节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第五节思考与练习
-第六节 无穷小量及其(阶的)比较
--无穷小量的比较
-第六节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第六节思考与练习
-第一节 连续函数的概念与性质
--间断点的分类
--连续函数的性质
-第一节 思考与练习
--思考题
--第三章 连续函数--第一节 思考与练习
-第二节 闭区间上连续函数的性质
-第二节 思考与练习
--思考题
--第三章 连续函数--第二节 思考与练习
-第三节 函数的一致连续性
--一致连续的概念
-第三节 思考与练习
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--第三章 连续函数--第三节 思考与练习
-第一节 导数与微分的概念
--导数的概念
--导数的几何意义
--微分概念
-第一节 思考与练习
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-第二节 导数与微分的运算
--导数的四则运算
--反函数求导法
-第二节 思考与练习
--思考题
--第四章 导数与微分--第二节 思考与练习
-第三节 几种特殊函数的求导法、高阶导数
--高阶导数
-第三节 思考与练习
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--第四章 导数与微分--第三节 思考与练习
-第一节 微分中值定理
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--Rolle定理
-第一节 思考与练习
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--第五章 导数应用--第一节 思考与练习
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--0/0型不定式
--∞/∞型不定式
--其他形式的不定式
-第二节 思考与练习
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--第五章 导数应用--第二节 思考与练习
-第三节 函数的单调性与极值
--函数的单调性
--函数的极值
--函数最值的求法
-第三节 思考与练习
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--函数凸性的判别法
--拐点
--曲线的渐近性
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-第五节 思考与练习
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--原函数的概念
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--第二换元法
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--分步积分法
-第四节 有理函数的积分
--html
--第六章 原函数与不定积分--第四节思考与练习
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--无理函数的有理化
--第六章 原函数与不定积分--第五节思考与练习
-第一节 积分概念与积分存在条件
--定积分的概念
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-第二节 定积分的性质
--定积分的性质
--定积分性质的应用
-第三节 变上限积分与Newton—Leibniz公式
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--复合变限积分
--定积分的计算
--第七章 定积分--第三节思考与练习
-第四节 定积分的换元积分法与分部积分法
--第七章 定积分--第四节思考与练习
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--曲线的弧长
--平面曲线的曲率
--第七章 定积分--第五节思考与练习
-第六节 定积分的物理应用
--物理应用简介
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--反常积分
--其他无穷积分
--第七章 定积分--第七节思考与练习
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--第八章 级数--第一节 思考与练习
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--第八章 级数--第二节 思考与练习
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--交错项级数
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--第八章 级数--第三节 思考与练习
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--第八章 级数--第四节 思考与练习
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--Abel判别法
--收敛半径与收敛域
--幂级数的分析性质
--幂级数求和
--第八章 级数--第五节思考与练习
-第六节 傅里叶级数
--三角函数的正交性
--第八章 级数--第六节思考与练习