洛必达法则(L'Hôpital's Rule)是一个用于处理极限中不定型的有效工具,尤其是在极限形式为\frac{0}{0}或\frac{\infty}{\infty}时,能有效地通过导数简化极限计算。它通常用于计算一些看似复杂的极限问题,尤其当函数的形式比较难直接求解时。
洛必达法则定义
洛必达法则的基本内容是:设 f(x) 和 g(x)是在某邻域内可导的函数,如果在某点 c附近存在以下情形(c可以是有限值或无穷):
极限形式为\frac{0}{0}或\frac{\infty}{\infty}之一,即
\underset{x\rightarrow c}{\lim}f\left( x \right) =0 且\underset{x\rightarrow c}{\lim}g\left( x \right) =0(或)\underset{x\rightarrow c}{\lim}f\left( x \right) =\infty 且\underset{x\rightarrow c}{\lim}g\left( x \right) =\infty
且f′(x)和 g′(x) 在 c 的某去心邻域内存在,并且 g^{\prime}\left( x \right) \ne 0 在该邻域内。
那么,如果极限\underset{x\rightarrow c}{\lim}\frac{f^{\prime}\left( x \right)}{g^{\prime}\left( x \right)}存在或者为无穷大,则有:
\underset{x\rightarrow c}{\lim}\frac{f\left( x \right)}{g\left( x \right)}=\underset{x\rightarrow c}{\lim}\frac{f^{\prime}\left( x \right)}{g^{\prime}\left( x \right)}
一句话来说,洛必达法则通过求导来简化不定型极限的计算
洛必达法则证明
证明洛必达法则只需要导数的定义和柯西中值定理。
这里证明其中一种情况,设 f′(x)和 g′(x) 在 c 点附近(即某个去心邻域内)可导,并且 g^{\prime}\left( x \right) \ne 0,并且满足:
\underset{x\rightarrow c}{\lim}f\left( x \right) =0 ,\underset{x\rightarrow c}{\lim}g\left( x \right) =0
柯西中值定理(Cauchy Mean Value Theorem)告诉我们,对于两个在区间(c,x)上可导的函数 f(x) 和 g(x),存在一个ξ∈(c,x) 使得:
因为 f(c)=g(c)=0,所以我们有:
当 x→c时,ξ→c,因此:
由此得出洛必达法则。