羅必達法則(L'Hôpital's Rule)

Basis
最後更新: 標籤: 微積分, 極限

先備知識

當分數的分子與分母同時趨向零——或同時趨向無窮——就無法直接代入求極限。這些被稱為未定式(indeterminate forms),在分析學中隨處可見。羅必達法則(L’Hôpital’s rule)提供了一個簡潔的解法:用導數之比取代原分數,再嘗試求極限。

未定式

極限 lim⁡x→af(x)g(x)\lim_{x \to a} \frac{f(x)}{g(x)} 在直接代入產生 00\frac{0}{0} 或 ∞∞\frac{\infty}{\infty} 等無意義表達式時,稱為未定式。極限的值取決於各部分趨近其極限的速率,而羅必達法則恰好透過導數提取這一資訊。

定理陳述

定理(羅必達法則)。 設 ff 與 gg 在 aa 的去心鄰域上可微(a∈Ra \in \mathbb{R} 或 a=±∞a = \pm\infty)。假設

  1. g′(x)g'(x) 在 aa 附近不為零,且
  2. 極限為 00\tfrac{0}{0} 型——即 lim⁡x→af(x)=lim⁡x→ag(x)=0\lim_{x \to a} f(x) = \lim_{x \to a} g(x) = 0——或為 ∞∞\tfrac{\infty}{\infty} 型——即 lim⁡x→a∣g(x)∣=∞\lim_{x \to a} |g(x)| = \infty。

若

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}

則

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

此法則同樣適用於單側極限(x→a+x \to a^+ 或 x→a−x \to a^-)。

00\tfrac{0}{0} 情形的證明

假設 lim⁡x→af(x)=lim⁡x→ag(x)=0\lim_{x \to a} f(x) = \lim_{x \to a} g(x) = 0。令 f(a)=g(a)=0f(a) = g(a) = 0 將 ff 與 gg 延伸至 aa;在 aa 點的連續性仍然成立。

對 aa 的去心鄰域中 x≠ax \neq a 的點,在以 aa 和 xx 為端點的閉區間上對 ff 和 gg 套用柯西均值定理:

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)},

其中 cxc_x 嚴格介於 aa 與 xx 之間。當 x→ax \to a 時,中間點 cx→ac_x \to a(由夾擠 ∣cx−a∣<∣x−a∣|c_x - a| < |x - a|)。因此:

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} 情形需要更精細地套用柯西定理——固定一個參考點並控制尾端——但在相同假設下得出相同結論。

化歸其他未定式

除 00\tfrac{0}{0} 和 ∞∞\tfrac{\infty}{\infty} 以外的每種未定式,都可以通過代數變形化歸為這兩種情形之一。

0⋅∞0 \cdot \infty

若 lim⁡f(x)=0\lim f(x) = 0,lim⁡g(x)=∞\lim g(x) = \infty,寫作

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

選擇導數更簡單的那種寫法。

∞−∞\infty - \infty

若 lim⁡f(x)=lim⁡g(x)=∞\lim f(x) = \lim g(x) = \infty,通分化為單一分式。結果為 00\tfrac{0}{0} 或 ∞∞\tfrac{\infty}{\infty} 型。

000^0、∞0\infty^0、1∞1^\infty

若極限 lim⁡h(x)k(x)\lim h(x)^{k(x)} 屬於以上形式之一,取自然對數:

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

這是 0⋅∞0 \cdot \infty 型,可進一步化歸。一旦求出 lim⁡k(x)ln⁡h(x)=M\lim k(x)\ln h(x) = M,原極限即為 eMe^M。

例題

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

分子與分母在 00 處均為零。套用羅必達法則:

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} 型,反覆套用)。 固定 n∈Nn \in \mathbb{N},lim⁡x→∞xnex\displaystyle\lim_{x \to \infty} \dfrac{x^n}{e^x}。

套用羅必達法則 nn 次。每次套用使分子的冪次減一:

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.

任何多項式最終都被指數函式所主導。

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

設 LL 為此極限。取對數將其化為 0⋅∞0 \cdot \infty 型:

ln⁡L  =  lim⁡x→∞xln⁡ ⁣ ⁣(1+1x)  =  lim⁡x→∞ln⁡(1+1/x)1/x(form 00).\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{form } \frac{0}{0}\right).

對 xx 求導,套用羅必達法則:

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,

故 ln⁡L=1\ln L = 1,L=eL = e。

法則不適用的情形

羅必達法則要求 lim⁡f′(x)/g′(x)\lim f'(x)/g'(x) 存在。若 f′/g′f'/g' 振盪而不收斂,法則無法提供關於 f/gf/g 的任何資訊——而 f/gf/g 本身可能仍有良好的極限。一個標準例子是

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

f′/g′=1+cos⁡xf'/g' = 1 + \cos x 在 00 與 22 之間振盪,然而 f/g=1+(sin⁡x)/x→1f/g = 1 + (\sin x)/x \to 1。

摘要

  • 羅必達法則:若 f/gf/g 在 aa 處為 00\tfrac{0}{0} 或 ∞∞\tfrac{\infty}{\infty} 型未定式,且 lim⁡f′/g′\lim f'/g' 存在,則 lim⁡f/g=lim⁡f′/g′\lim f/g = \lim f'/g'。
  • 證明(00\tfrac{0}{0} 情形):柯西均值定理給出 f(x)/g(x)=f′(cx)/g′(cx)f(x)/g(x) = f'(c_x)/g'(c_x),其中 cxc_x 被夾在 aa 與 xx 之間;當 x→ax \to a 時 cxc_x 也趨向 aa。
  • 其他未定式可代數化歸:0⋅∞0\cdot\infty 化為單一分式;∞−∞\infty - \infty 通分;000^0、∞0\infty^0、1∞1^\infty 取對數。
  • 若 lim⁡f′/g′\lim f'/g' 不存在,法則無法提供資訊;缺乏該極限並不意味著 lim⁡f/g\lim f/g 不存在。