我们已经能够处理很多极限,但是对于一些特殊情况的极限问题,过去的方法显得有些苍白。在先前内容的铺垫下,我们终于可以处理一些不定型的极限问题了,其中包括“0/0”型、“∞/∞”型,这一切都是通过“洛必达法则”实现的。从此,我们甚至能够判断“∞的大小”。

不定式

把某些型如0/0或∞/∞的极限成为型不定式。其它常见的不定式还有00、0·∞、∞0、1、∞-∞

  例如数学笔记28——不定式和洛必达法则_数学学习是一个00型不定式,底数和指数是两股相反的力量,底数想让表达式极限趋近于0,指数想让表达式趋近于1,二者互相较劲,看谁的力量更胜一筹。

洛必达法则

0/0型的极限

  先来看一个例子:

数学笔记28——不定式和洛必达法则_数学学习_02

  这无法用直接代入的方法求解了,是一个典型的0/0型极限。可以试着用长除法解决:

数学笔记28——不定式和洛必达法则_数学学习_03

数学笔记28——不定式和洛必达法则_数学笔记_04

  虽然能够求得极限,但计算过程太过繁琐,下面尝试使用更简单的办法。

  先将极限做一次变形:

数学笔记28——不定式和洛必达法则_数学笔记_05

  如果令f(x) = x10 – 1,f(1) = 0,那么

数学笔记28——不定式和洛必达法则_数学笔记_06

  这正是导数的定义。

  同理,令g(x) = x2 – 1, g’(x) = 2x

数学笔记28——不定式和洛必达法则_数学笔记_07

公式

  把上面的方法更系统化,就离洛必达法则更进一步了。

  如果 数学笔记28——不定式和洛必达法则_数学学习_08是0/0的极限,那么有f(a) = g(a) = 0,该极限的求解过程如下:

数学笔记28——不定式和洛必达法则_数学笔记_09

  这就是洛必达法则:

数学笔记28——不定式和洛必达法则_数学笔记_10

  上式成立的前提是:f(a) = g(a) = 0;等号右侧的极限存在。第二点有点微妙——右端的存在证明了左端的存在。

示例1

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示例2

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  这一步仍未解决问题,还是0/0型,于是再次使用洛必达法则:

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与线性逼近的比较

  如果用线性逼近(线性逼近可参考数学笔记6——线性近似和二阶近似)计算上节的示例,则在x→0时:

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  利用二阶近似,在x→0时:

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  结果与使用洛必达法则计算的相等。

洛必达法则的推广

  前面提到洛必达法则的基本定理:

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  上式成立的前提是:f(a) = g(a) = 0;等号右侧的极限存在。第二点有点微妙——右端的存在证明了左端的存在。

  定理的推广

  ⑴ 该定理所有条件中,对a = ±∞的情况,结论依然成立。

  ⑵ 该定理第一条件中,对f(a)和g(a),极限皆为 ±∞的情况,结论依然成立。

  简单地说,洛必达法则仅对0/0和∞/∞直接适用,其它构型需要经过一定的演算和变形,使其变为0/0或∞/∞。

示例1

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  0·(-∞)型像是两个式子在比赛,看谁的变化速度更快,但这不能直接使用洛必达法则,所以原式需要经过演化:

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  这次变成了(-∞/∞),即∞/∞型,可以直接使用洛必达法则:

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  当x→0+时,x的变化速度要快于lnx。

示例2

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  当x→∞时,x比epx变化的缓慢。

示例3

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  一个典型的∞/∞型,但是在使用洛必达法则时会遇到麻烦:

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  这并没有实质性的进展。当然,我们可以推算出,在经过连续使用洛必达法则后,分子依然趋近∞,分母最终将变成一个常数,所以最终结果是∞。

  这个结果并不直观,我们尝试使用更直观的方式得出结论,这需要一点代数技巧。

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  由此可以得出这样的结论:指数函数的变化率胜过任何幂函数。

示例4

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  结论:对数函数比任何幂函数都变化的更慢。

示例5

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  这是00型,不能直接使用洛必达法则,所以仍需进行演化,这里的演化方式是使用e作为底数:

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  在示例1中得知,

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注意事项

陷阱

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  0/0型可以直接使用洛必达法则,求导也很简单,因此很高兴的计算如下:

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  根据线性逼近重新计算一下:

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  得到了两个截然相反的结果,一定是其中某个环节出现了问题。在第一个计算中:

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  左边的式子是1/0型,不能使用洛必达法则!所以这个等式是错的。实际上可以直接得到左侧等于∞的结论。

不要忘记基础知识

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  ∞/∞是符合洛必达法则的,但在这个例子中没有必要去使用洛必达法则。分子的最高次项是x5,分母是x4,所以分子是分母的高阶无穷,因此可以直接得出结论,结果是∞。

  这个例子给我们的提示就是:不要忘记基础知识。

洛必达表法则不适用的情况

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  ∞/∞型,使用洛必达法则:

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  看起来更复杂了。cosx的取值范围是[-1, 1],所以当x→∞时可以直接求得极限:

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  不要忘记基础知识。

综合示例

 示例1

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  0/0型,

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 示例2

  数学笔记28——不定式和洛必达法则_数学笔记_43

 数学笔记28——不定式和洛必达法则_数学学习_44

 示例3

  数学笔记28——不定式和洛必达法则_数学笔记_45

  0/0型,

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 示例4

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  ∞/∞型,

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