ロピタルの定理

Basis
最終更新: タグ: 微積分, 極限

分数の分子と分母がともに零に近づくとき、あるいはともに発散するとき、代入によって極限を読み取ることはできない。これらは**不定形(indeterminate forms)**と呼ばれ、解析学において常に現れる。ロピタルの定理はその解決策を与える:分数を導関数の比に置き換えて再び試みるのだ。

不定形

lim⁡x→af(x)g(x)\lim_{x \to a} \frac{f(x)}{g(x)} が不定形であるとは、単純な代入によって 00\frac{0}{0} や ∞∞\frac{\infty}{\infty} のような無意味な式が生じることをいう。極限の値は各部分が極限値に近づく速さに依存し、ロピタルの定理は導関数を通じてまさにその情報を取り出す。

主張

定理(ロピタルの定理)。 ff と gg が aa の穿孔近傍上で微分可能とする(a∈Ra \in \mathbb{R} または a=±∞a = \pm\infty)。次の条件を仮定する:

  1. g′(x)≠0g'(x) \neq 0(aa の近傍で)、かつ
  2. 極限が 00\tfrac{0}{0} の形——lim⁡x→af(x)=lim⁡x→ag(x)=0\lim_{x \to a} f(x) = \lim_{x \to a} g(x) = 0——または ∞∞\tfrac{\infty}{\infty} の形——lim⁡x→a∣g(x)∣=∞\lim_{x \to a} |g(x)| = \infty——である。

もし

lim⁡x→af′(x)g′(x)  =  L(L∈R∪{+∞, −∞})(1)\lim_{x \to a} \frac{f'(x)}{g'(x)} \;=\; L \quad (L \in \mathbb{R} \cup \{+\infty,\, -\infty\}) \tag{1}

ならば、

lim⁡x→af(x)g(x)  =  L(2)\lim_{x \to a} \frac{f(x)}{g(x)} \;=\; L \tag{2}

が成り立つ。この定理は片側極限(x→a+x \to a^+ または x→a−x \to a^-)にも同様に適用される。

00\tfrac{0}{0} の場合の証明

lim⁡x→af(x)=lim⁡x→ag(x)=0\lim_{x \to a} f(x) = \lim_{x \to a} g(x) = 0 を仮定する。f(a)=g(a)=0f(a) = g(a) = 0 と定めることで ff、gg を aa まで拡張する(aa での連続性は保たれる)。

aa の穿孔近傍内の x≠ax \neq a に対し、コーシーの平均値定理を ff、gg に aa と xx を端点とする閉区間上で適用する:

f(x)g(x)  =  f(x)−f(a)g(x)−g(a)  =  f′(cx)g′(cx),\frac{f(x)}{g(x)} \;=\; \frac{f(x) - f(a)}{g(x) - g(a)} \;=\; \frac{f'(c_x)}{g'(c_x)},

ここで cxc_x は aa と xx の間に厳密に存在する。x→ax \to a のとき、中間点 cx→ac_x \to a も成り立つ(∣cx−a∣<∣x−a∣|c_x - a| < |x - a| による挟み撃ち)。したがって:

lim⁡x→af(x)g(x)  =  lim⁡x→af′(cx)g′(cx)  =  lim⁡c→af′(c)g′(c)  =  L.□\lim_{x \to a} \frac{f(x)}{g(x)} \;=\; \lim_{x \to a} \frac{f'(c_x)}{g'(c_x)} \;=\; \lim_{c \to a} \frac{f'(c)}{g'(c)} \;=\; L. \quad \square

∞∞\tfrac{\infty}{\infty} の場合は、基準点を固定してその後の部分を制御するというコーシーの定理のより精密な適用が必要だが、同じ仮定の下で同じ結論に至る。

他の不定形への帰着

00\tfrac{0}{0} と ∞∞\tfrac{\infty}{\infty} 以外の不定形は、代数的に変形することでどちらかの形に帰着できる。

0⋅∞0 \cdot \infty

lim⁡f(x)=0\lim f(x) = 0 かつ lim⁡g(x)=∞\lim g(x) = \infty ならば、次のように書き換える:

f(x) g(x)  =  f(x)1/g(x)    (00 の形)またはg(x)1/f(x)    (∞∞ の形).f(x)\,g(x) \;=\; \frac{f(x)}{1/g(x)} \;\;\text{(}\tfrac{0}{0}\text{ の形)} \qquad\text{または}\qquad \frac{g(x)}{1/f(x)} \;\;\text{(}\tfrac{\infty}{\infty}\text{ の形)}.

導関数がよりシンプルになる方の書き換えを選ぶ。

∞−∞\infty - \infty

lim⁡f(x)=lim⁡g(x)=∞\lim f(x) = \lim g(x) = \infty ならば、式に応じた共通分母を使って一つの分数にまとめる。結果は 00\tfrac{0}{0} または ∞∞\tfrac{\infty}{\infty} の形になる。

000^0、∞0\infty^0、1∞1^\infty

lim⁡h(x)k(x)\lim h(x)^{k(x)} がこれらの形の一つをとるならば、自然対数をとる:

ln⁡ ⁣(h(x)k(x))  =  k(x)ln⁡h(x).\ln\!\bigl(h(x)^{k(x)}\bigr) \;=\; k(x)\ln h(x).

これは 0⋅∞0 \cdot \infty の形になり、さらに帰着できる。lim⁡k(x)ln⁡h(x)=M\lim k(x)\ln h(x) = M が分かれば、元の極限は eMe^M だ。

例

例 1(00\tfrac{0}{0})。 lim⁡x→0sin⁡xx\displaystyle\lim_{x \to 0} \dfrac{\sin x}{x}。

分子・分母ともに 00 で消える。ロピタルの定理を適用する:

lim⁡x→0sin⁡xx  =  lim⁡x→0cos⁡x1  =  1.\lim_{x \to 0} \frac{\sin x}{x} \;=\; \lim_{x \to 0} \frac{\cos x}{1} \;=\; 1.

例 2(∞∞\tfrac{\infty}{\infty}、繰り返し適用)。 固定した n∈Nn \in \mathbb{N} に対して lim⁡x→∞xnex\displaystyle\lim_{x \to \infty} \dfrac{x^n}{e^x}。

ロピタルの定理を nn 回適用する。毎回の適用で分子の冪が一つ減る:

lim⁡x→∞xnex  =  lim⁡x→∞n xn−1ex  =  ⋯  =  lim⁡x→∞n!ex  =  0.\lim_{x \to \infty} \frac{x^n}{e^x} \;=\; \lim_{x \to \infty} \frac{n\,x^{n-1}}{e^x} \;=\; \cdots \;=\; \lim_{x \to \infty} \frac{n!}{e^x} \;=\; 0.

どんな多項式も最終的には指数関数に支配される。

例 3(1∞1^\infty)。 lim⁡x→∞ ⁣(1+1x) ⁣x\displaystyle\lim_{x \to \infty} \!\left(1 + \dfrac{1}{x}\right)^{\!x}。

LL をこの極限とする。対数をとると 0⋅∞0 \cdot \infty の形に変換される:

ln⁡L  =  lim⁡x→∞xln⁡ ⁣ ⁣(1+1x)  =  lim⁡x→∞ln⁡(1+1/x)1/x(00 の形).\ln L \;=\; \lim_{x \to \infty} x\ln\!\!\left(1 + \frac{1}{x}\right) \;=\; \lim_{x \to \infty} \frac{\ln(1 + 1/x)}{1/x} \quad \left(\text{}\frac{0}{0}\text{ の形}\right).

ロピタルの定理を適用する(分子・分母をそれぞれ xx で微分):

lim⁡x→∞−1/x21+1/x−1/x2  =  lim⁡x→∞11+1/x  =  1,\lim_{x \to \infty} \frac{\dfrac{-1/x^2}{1 + 1/x}}{-1/x^2} \;=\; \lim_{x \to \infty} \frac{1}{1 + 1/x} \;=\; 1,

よって ln⁡L=1\ln L = 1 かつ L=eL = e。

定理が適用できない場合

ロピタルの定理は lim⁡f′(x)/g′(x)\lim f'(x)/g'(x) が存在することを必要とする。f′/g′f'/g' が収束せずに振動する場合、定理は f/gf/g について何も言えない——f/gf/g はそれでも十分に良い極限を持つかもしれない。標準的な例は

lim⁡x→∞x+sin⁡xx\lim_{x \to \infty} \frac{x + \sin x}{x}

だ:f′/g′=1+cos⁡xf'/g' = 1 + \cos x は 00 と 22 の間で振動するが、f/g=1+(sin⁡x)/x→1f/g = 1 + (\sin x)/x \to 1 だ。

まとめ

  • ロピタルの定理:f/gf/g が aa において 00\tfrac{0}{0} または ∞∞\tfrac{\infty}{\infty} の不定形であり、lim⁡f′/g′\lim f'/g' が存在するならば、lim⁡f/g=lim⁡f′/g′\lim f/g = \lim f'/g'。
  • 証明(00\tfrac{0}{0} の場合):コーシーの平均値定理により f(x)/g(x)=f′(cx)/g′(cx)f(x)/g(x) = f'(c_x)/g'(c_x)(cxc_x は aa と xx の間に挟まれる)が成り立ち、x→ax \to a のとき cx→ac_x \to a となる。
  • その他の不定形の帰着:0⋅∞0\cdot\infty は一つの分数に変形;∞−∞\infty - \infty は共通分母で;000^0、∞0\infty^0、1∞1^\infty は対数をとる。
  • lim⁡f′/g′\lim f'/g' が存在しない場合、定理は何も言えない;その極限が存在しないことは lim⁡f/g\lim f/g が失敗することを意味しない。