高数 03.02洛必达法则
第三章第二节洛必达法则 \color{blue}{第三章 第二节 洛必达法则}
一、00 型未定式 一、\dfrac{0}{0}型未定式
二、∞∞ 型未定式 二、\dfrac{\infty}{\infty}型未定式
三、其他未定式 三、其他未定式
本节研究:函数之商的极限limf(x)g(x) (00 或∞∞ 型) 本节研究:\\ 函数之商的极限\lim{\dfrac{f(x)}{g(x)}}(\dfrac{0}{0}或\dfrac{\infty}{\infty}型)
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导数之商的极限limf ′ (x)g ′ (x) 导数之商的极限\lim{\dfrac{f^{\prime}(x)}{g^{\prime}(x)}}
一、00 型未定式 \color{blue}{一、\dfrac{0}{0}型未定式}
定理1.1)lim x→a f(x)=lim x→a F(x)=02)f(x)与F(x)在U ° (a)内可导,且F ′ (x)≠03)lim x→a f ′ (x)F ′ (x) 存在(或为∞)⟹lim x→a f(x)F(x) =lim x→a f ′ (x)F ′ (x) (洛必达法则) 定理1.\\ 1)\lim_{x \rightarrow a}{f(x)} = \lim_{x \rightarrow a}{F(x)} = 0 \\ 2)f(x)与F(x)在\mathring{U}(a)内可导,且F^{\prime}(x) \neq 0 \\ 3)\lim_{x \rightarrow a}{\dfrac{f^{\prime}(x)}{F^{\prime}(x)}}存在(或为\infty)\\ \Longrightarrow \lim_{x \rightarrow a}{\dfrac{f(x)}{F(x)} } = \lim_{x \rightarrow a}{\dfrac{f^{\prime}(x)}{F^{\prime}(x)} } \quad (洛必达法则)
该定理的证明用到了柯西中值定理 该定理的证明用到了柯西中值定理
洛必达法则:lim x→a f(x)g(x) =lim x→a f ′ (x)g ′ (x) \lim_{x \rightarrow a}{\dfrac{f(x)}{g(x)}} = \lim_{x \rightarrow a}{\dfrac{f^{\prime}(x)}{g^{\prime}(x)}}
推论1.定理1中x→a换为x→a + ,x→a − ,x→∞,x→+∞,x→−∞之一,2)作相应的修改,定理1仍然成立. 推论1.定理1中x \rightarrow a换为\\ x \rightarrow a^+, x \rightarrow a^-, x \rightarrow \infty, x \rightarrow +\infty, x \rightarrow -\infty之一,\\ 2)作相应的修改,定理1仍然成立.
推论2.若limf ′ (x)F ′ (x) 仍属00 型,且f ′ (x),F ′ (x)满足定理1条件,则limf(x)F(x) =limf ′ (x)F ′ (x) =limf ′′ (x)F ′′ (x) 推论2.若\lim{\dfrac{f^{\prime}(x)}{F^{\prime}(x)}}仍属\dfrac{0}{0}型,且f^{\prime}(x),F^{\prime}(x)满足定理1条件,则\\ \lim{\dfrac{f(x)}{F(x)}} = \lim{\dfrac{f^{\prime}(x)}{F^{\prime}(x)}} = \lim{\dfrac{f^{\prime \prime}(x)}{F^{\prime \prime}(x)}}
例1.求lim x→1 x 3 −3x+2x 3 −x 2 −x+1 例1.求\lim_{x \rightarrow 1}{\dfrac{x^3 - 3x +2}{x^3 - x^2 - x + 1}}
解:原式=lim x→1 3x 2 −33x 2 −2x−1 =lim x→1 6x6x−2 =lim x→1 66−2 =32 解:原式\\ = \lim_{x \rightarrow 1}{\dfrac{3x^2 - 3}{3x^2 - 2x - 1}} \\ = \lim_{x \rightarrow 1}{\dfrac{6x}{6x - 2}} \\ = \lim_{x \rightarrow 1}{\dfrac{6}{6 - 2}} \\ = \dfrac{3}{2}
注意:以上前两步求导是因为满足00 型,满足洛必达法则。不是未定式不能用洛必达法则! 注意:以上前两步求导是因为满足\dfrac{0}{0}型,满足洛必达法则。不是未定式不能用洛必达法则!
例2.求lim x→+∞ π2 −arctanx1x 例2.求\lim_{x \rightarrow +\infty}{\dfrac{\frac{\pi}{2} - \arctan{x}}{\frac{1}{x}}}
解:原式=lim x→+∞ 0−11+x 2 −1x 2 =lim x→+∞ x 2 1+x 2 =lim x→+∞ 11x 2 +1 =1 解:\\ 原式= \lim_{x \rightarrow +\infty}{\dfrac{0 - \dfrac{1}{1 + x^2}}{-\dfrac{1}{x^2}}} \\ = \lim_{x \rightarrow +\infty}{\dfrac{x^2}{1 + x^2}} \\ = \lim_{x \rightarrow +\infty}{\dfrac{1}{\frac{1}{x^2} + 1}} \\ = 1
二、∞∞ 型未定式 \color{blue}{二、\dfrac{\infty}{\infty}型未定式}
定理2.1)lim x→a |f(x)|=lim x→a |F(x)|=∞2)f(x)与F(x)在U ° (a)内可导,且F ′ (x)≠03)lim x→a f ′ (x)F ′ (x) 存在(或为∞)⟹lim x→a f(x)F(x) =lim x→a f ′ (x)F ′ (x) 定理2.\\ 1)\lim_{x \rightarrow a}{|f(x)|} = \lim_{x \rightarrow a}{|F(x)|} = \infty\\ 2)f(x)与F(x)在\mathring{U}(a)内可导,且F^{\prime}(x) \neq 0\\ 3)\lim_{x \rightarrow a}{\dfrac{f^{\prime}(x)}{F^{\prime}(x)}}存在(或为\infty) \\ \Longrightarrow \lim_{x \rightarrow a}{\dfrac{f(x)}{F(x)}} = \lim_{x \rightarrow a}{\dfrac{f^{\prime}(x)}{F^{\prime}(x)}}
例3.求lim x→+∞ lnxx n (n>0). 例3.求\lim_{x \rightarrow +\infty}{\dfrac{\ln{x}}{x^n}} (n > 0).
解:原式=lim x→+∞ 1x nx n−1 =lim x→+∞ 1nx n =0 解:原式 \\ =\lim_{x \rightarrow +\infty}{\dfrac{\dfrac{1}{x}}{nx^{n - 1}}} \\ =\lim_{x \rightarrow +\infty}{\dfrac{1}{nx^n}} \\ = 0
例4.求lim x→+∞ x n e λx (n>0,λ>0). 例4.求\lim_{x \rightarrow +\infty}{\dfrac{x^n}{e^{\lambda x}}} (n > 0, \lambda > 0).
解:1)n为正整数时:原式=lim x→+∞ nx n−1 λe λx =lim x→+∞ n!λ n e λx =n!λ n lim x→+∞ 1e λx =n!λ n ⋅0=02)n不是正整数时,存在正整数k,使当x>1时,x k <x n <x k+1 从而x k e λx <x n e λx <x k+1 e λx 由1)可知lim x→+∞ x k e λx =0lim x→+∞ x k+1 e λx =0根据夹逼定理得:lim x→+∞ x n e λx =0 解:\\ 1) n为正整数时: 原式= \lim_{x \rightarrow +\infty}{\dfrac{nx^{n - 1}}{\lambda e^{\lambda x}}} \\ = \lim_{x \rightarrow +\infty}{\dfrac{n!}{\lambda^n e^{\lambda x}}} \\ =\dfrac{n!}{\lambda^n} \lim_{x \rightarrow +\infty}{\dfrac{1}{e^{\lambda x}}} \\ =\dfrac{n!}{\lambda^n} \cdot 0 \\ = 0 \\ 2)n不是正整数时,\\ 存在正整数k,使当x > 1时, \\ x^k
说明:1)例3,例4表明x→+∞时,lnx,x n (n>0),e λx (λ>0)后者比前者趋于+∞更快.2)在满足定理条件的某些情况下洛必达法则不能解决所有计算问题.例如,lim x→+∞ 1+x 2 − − − − − √ x =lim x→+∞ x1+x 2 − − − − − √ 3)若limf ′ (x)F ′ (x) 不存在(≠∞)时,limf(x)F(x) ≠limf ′ (x)F ′ (x) 例如,lim x→+∞ x+sinxx ≠lim x→+∞ 1+cosx1 lim x→+∞ 1+cosx1 极限不存在 说明:\\ 1)例3,例4表明 x \rightarrow +\infty时, \\ \ln{x}, x^n(n > 0), e^{\lambda x}(\lambda >0) \\ 后者比前者趋于+\infty更快.\\ 2)在满足定理条件的某些情况下洛必达法则不能解决所有计算问题.\\ 例如,\lim_{x \rightarrow +\infty}{\dfrac{\sqrt{1 + x^2}}{x}} = \lim_{x \rightarrow +\infty}{\dfrac{x}{\sqrt{1 + x^2}}} \\ 3)若\lim{\dfrac{f^{\prime}(x)}{F^{\prime}(x)}}不存在(\neq \infty)时,\\ \lim{\dfrac{f(x)}{F(x)}} \neq \lim{\dfrac{f^{\prime}(x)}{F^{\prime}(x)}}\\ 例如,\lim_{x \rightarrow +\infty}{\dfrac{x + \sin{x}}{x}} \neq \lim_{x \rightarrow +\infty}{\dfrac{1 + \cos{x}}{1}} \\ \lim_{x \rightarrow +\infty}{\dfrac{1 + \cos{x}}{1}}极限不存在
三、其他未定式:0⋅∞,∞−∞,0 0 ,1 ∞ ,∞ 0 型 \color{blue}{三、其他未定式:0\cdot \infty, \infty - \infty, 0^0, 1^{\infty}, \infty^{0}型}
解决方法:通分、去倒数、取对数 解决方法:通分、去倒数、取对数
例5.求lim x→0 + x n lnx(n>0). 例5.求\lim_{x \rightarrow 0^+}{x^n \ln{x}} (n > 0).
解:lim x→0 + x n lnx=lim x→0 + lnxx −n =lim x→0 + 1x −nx −n−1 =lim x→0 + 1−nx −n =−1n lim x→0 + x n =0 解:\\ \lim_{x \rightarrow 0^+}{x^n \ln{x}} \\ = \lim_{x \rightarrow 0^+}{\dfrac{\ln{x}}{x^{-n}}} \\ = \lim_{x \rightarrow 0^+}{\dfrac{\dfrac{1}{x}}{-nx^{-n-1}}} \\ = \lim_{x \rightarrow 0^+}{\dfrac{1}{-nx^{-n}}} \\ = -\dfrac{1}{n}\lim_{x \rightarrow 0^+}{x^n} \\ = 0
例6.求lim x→π2 (secx−tanx). 例6.求\lim_{x \rightarrow \frac{\pi}{2}}{(\sec{x} - \tan{x})}.
解:lim x→π2 (secx−tanx)=lim x→π2 1−sinxcosx =lim x→π2 −cosx−sinx =0 解:\\ \lim_{x \rightarrow \frac{\pi}{2}}{(\sec{x} - \tan{x})} \\ = \lim_{x \rightarrow \frac{\pi}{2}}{\dfrac{1 - \sin{x}}{\cos{x}}} \\ = \lim_{x \rightarrow \frac{\pi}{2}}{\dfrac{- \cos{x}}{-\sin{x}}} \\ = 0
例7.求lim x→0 + x x . 例7.求\lim_{x \rightarrow 0^+}{x^x}.
解:lim x→0 + x x =lim x→0 + e xlnx =e (lim x→0 + xlnx) =e (lim x→0 + lnx1x ) =e (lim x→0 + 1x −1x 2 ) =e (lim x→0 + −x) =e 0 =1 解:\\ \lim_{x \rightarrow 0^+}{x^x} \\ = \lim_{x \rightarrow 0^+}{e^{x \ln{x}}} \\ = e^{(\lim_{x \rightarrow 0^+}{x \ln{x}})} \\ = e^{(\lim_{x \rightarrow 0^+}{\frac{\ln{x}}{\frac{1}{x}}})} \\ = e^{(\lim_{x \rightarrow 0^+}{\frac{\frac{1}{x}}{-\frac{1}{x^2}}})} \\ = e^{(\lim_{x \rightarrow 0^+}{-x})} \\ = e^0 \\ = 1
例8.求lim x→0 tanx−xx 2 sinx . 例8.求\lim_{x \rightarrow 0}{\dfrac{\tan{x} - x}{x^2 \sin{x}}}.
解:lim x→0 tanx−xx 2 sinx =lim x→0 1cos 2 x −12xsinx+x 2 cosx =lim x→0 sin 2 xx(2sinx+xcosx)cos 2 x =lim x→0 x 2 x(2x+xcosx)cos 2 x =lim x→0 1(2+cosx)cos 2 x =lim x→0 1(2+1)⋅1 2 =13 解:\\ \lim_{x \rightarrow 0}{\dfrac{\tan{x} - x}{x^2 \sin{x}}} \\ = \lim_{x \rightarrow 0}{\dfrac{\frac{1}{\cos^2{x}} - 1}{2x \sin{x} + x^2 \cos{x}}} \\ = \lim_{x \rightarrow 0}{\dfrac{\sin^2{x}}{x(2 \sin{x} + x \cos{x})\cos^2{x}}} \\ = \lim_{x \rightarrow 0}{\dfrac{x^2}{x(2 x + x \cos{x})\cos^2{x}}} \\ = \lim_{x \rightarrow 0}{\dfrac{1}{(2 + \cos{x})\cos^2{x}}} \\ = \lim_{x \rightarrow 0}{\dfrac{1}{(2 + 1) \cdot 1^2}} \\ = \dfrac{1}{3}
使用洛必达法则需要注意的几个问题:
1、使用洛必达法则之前,应该先检验其条件是否满足.
2、如果使用洛必达法则之后,命题仍是未定型极限,且仍符合洛必达法则的条件,可以再次使用洛必达法则.
3、如果00 \dfrac{0}{0}型或∞∞ \dfrac{\infty}{\infty}型极限中含有非零因子,该非零因子可以单独求极限,不必参与洛必达法则运算,以简化运算.
4、如果能进行等价无穷小代换或更等变形配合使用洛必达法则,也可以简化运算.
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