Теорема (правило Лопиталя). Пусть
функции f(x) и g(x) дифференцируемы в некоторой
окрестности точки a, за исключением, быть может, самой
точки a, и пусть или
. Тогда, если
существует предел отношения производных этих функций
, то существует и предел
отношения самих функций f(x)/g(x) при x→а, причем
![]() | (1) |
Таким образом, коротко правило Лопиталя можно сформулировать следующим образом: предел отношения двух бесконечно малых или двух бесконечно больших величин равен пределу отношения их производных.
Замечание. Отметим, что формула (1) справедлива только в том случае, если предел, стоящий справа, существует. Может случиться, что предел, стоящий слева существует, в то время как предел, стоящий в правой части равенства, не существует.
Например, найти . Этот предел существует
. Но отношение производных (1+cosx)/1=1+cos x при x→∞ не стремится ни к какому пределу.
Заметим, что если отношение производных опять представляет собой неопределенность вида 0/0 или ∞/∞, то можно снова применить сформулированную теорему, то есть перейти к отношению вторых производных и так далее.
Вспомним, что к этим двум случаям сводятся случаи других неопределенностей: ∞·∞; 0·∞.
Для раскрытия неопределенностей 1∞, 10, ∞0 нужно прологарифмировать данную функцию и найти предел ее логарифма.
Примеры.
.
.
.
Обозначим
.
Прологарифмируем это равенство
. Найдем
.
Так как lny функция непрерывная, то
. Следовательно,
или
Правило Лопиталя.
Теорема. Пусть функции f(x) и j(x) имеют в окрестности точки x0 непрерывные производные f '(x) и j'(x) и пусть f(x0) = j(x0) = 0 и j(x) № 0, j'(x) № 0 в окрестностях точки x0, кроме, быть может самой точки x0. Пусть далее существует предел. Тогда
Поэтому между x и x0 найдется такая точка x, что Ф'(x) = 0, т.е., откуда
(1)
и при x®x0 также x®x0, то
, и согласно равенству (1) находим:
Если в окрестности точки x0 функции f(x) и j(x) имеют вторые производные, причем f '(x0) = j'(x0) = 0 и j'(x) № 0, j''(x) № 0, и существует, то, применяя правило Лопиталя к отношению
, получаем
при вычислении пределов отношений
.
В курсах математического анализа показывается, что такое же правило применимо и к неопределенностям вида, µ-µ и других.
Правило Лопиталя
По правилу Лопиталя вычисление предела отношения двух бесконечно малых или бесконечно больших функций сводится к вычислению предела отношения их производных.
Правило Лопиталя для отношения бесконечно малых функций
Теорема 1. Если
- функции f(x) и g(x) определены и имеют производные f '(x) и g '(x) ≠ 0 в некоторой окрестности точки a, кроме быть может самой точки a;
-
lim x → a lim x → a -
существует (конечный или бесконечный)
lim x → a f '(x) g '(x)
lim x → a f(x) g(x) lim x → a f(x) g(x) lim x → a f '(x) g '(x) Доказательство приведено в книге И.М. Петрушко и Л.А. Кузнецова “Курс высшей математики: Введение в математический анализ. Дифференциальное исчисление.” М.: Изд–во МЭИ, 2000. Стр. 123.
Замечание. Если
lim x → a lim x → a Теорема 2. Если
- функции f(x) и g(x) определены и дифференцируемы в интервале (b, + ∞), причем g'(x) ≠ 0 при всех x О (b, + ∞);
-
lim x → + ∞ lim x → + ∞ -
существует (конечный или бесконечный)
lim x → + ∞ f'(x) g'(x)
lim x → + ∞ f(x) g(x) lim x → + ∞ f(x) g(x) lim x → + ∞ f'(x) g'(x) Доказательство приведено в книге И.М. Петрушко и Л.А. Кузнецова “Курс высшей математики: Введение в математический анализ. Дифференциальное исчисление.” М.: Изд–во МЭИ, 2000. Стр. 126.
Аналогично формулируется и доказывается правило Лопиталя при x → − ∞.
Правило Лопиталя для отношения бесконечно больших функций
Теорема 3. Если
- функции f(x) и g(x) определены и имеют производные f '(x) и g '(x) ≠ 0 в некоторой окрестности точки a, кроме быть может самой точки a;
-
lim x → a lim x → a -
существует (конечный или бесконечный)
lim x → a f'(x) g'(x)
lim x → a f(x) g(x) lim x → a f(x) g(x) lim x → a f'(x) g'(x) Замечание. Следующие пределы вычисляются сведением их к пределам отношения двух бесконечно малых или бесконечно больших функций и поименением правила Лопиталя:
lim x → a lim x → a lim x → a lim x → a lim x → a lim x → a lim x → a lim x → a lim x → a lim x → a lim x → a lim x → a lim x → a