Перейти к содержанию

Правило Лопиталя

Математика Алгебра Сложность 2/5

Начало урока

Правило Лопиталя

Систематический инструмент на основе производных для вычисления неопределённых пределов


1. Напоминание: неопределённые формы

При изучении пределов мы сталкивались с ситуациями, когда прямая подстановка приводила к выражениям, значение которых невозможно определить без дополнительного анализа. Это так называемые неопределённые формы:

$\dfrac{0}{0}$
$\dfrac{\infty}{\infty}$
$0 \cdot \infty$
$\infty - \infty$
$1^{\infty}$
$0^{0}$
$\infty^{0}$

Тогда мы справлялись с ними при помощи алгебраических приёмов: разложения на множители, рационализации (умножения на сопряжённое), сокращения, а также известных замечательных пределов, таких как:

$$ \lim_{x \to 0} \frac{\sin x}{x} = 1, \qquad \lim_{x \to 0} \frac{1 - \cos x}{x^2} = \frac{1}{2}, \qquad \lim_{x \to 0} \frac{e^x - 1}{x} = 1 $$

Эти методы прекрасно работают, но для каждой новой задачи требуют изобретательности. Правило Лопиталя выполняет обещание систематического инструмента на основе производных, который напрямую работает с двумя основными неопределёнными формами $\frac{0}{0}$ и $\frac{\infty}{\infty}$, и к которым можно свести все остальные неопределённые формы.

2. Формулировка правила Лопиталя

2.1 Форма $\frac{0}{0}$

Теорема (Правило Лопиталя — ноль на ноль).

Пусть $f$ и $g$ — функции, дифференцируемые на открытом интервале $I$, содержащем точку $c$ (возможно, за исключением самой точки $c$). Предположим:

  1. $\displaystyle\lim_{x \to c} f(x) = 0$ и $\displaystyle\lim_{x \to c} g(x) = 0$;
  2. $g'(x) \neq 0$ для всех $x \in I$, где $x \neq c$;
  3. $\displaystyle\lim_{x \to c} \frac{f'(x)}{g'(x)}$ существует (или равен $\pm\infty$).

Тогда:

$$ \boxed{\lim_{x \to c} \frac{f(x)}{g(x)} = \lim_{x \to c} \frac{f'(x)}{g'(x)}} $$

Область применимости: Правило применимо в конечных точках ($c \in \mathbb{R}$), для односторонних пределов ($x \to c^+$ или $x \to c^-$), а также на бесконечности ($x \to +\infty$ или $x \to -\infty$).

2.2 Форма $\frac{\infty}{\infty}$

Теорема (Правило Лопиталя — бесконечность на бесконечность).

Если $\displaystyle\lim_{x \to c} f(x) = \pm\infty$ и $\displaystyle\lim_{x \to c} g(x) = \pm\infty$, и выполнены остальные условия, указанные выше, то справедливо то же заключение:

$$ \lim_{x \to c} \frac{f(x)}{g(x)} = \lim_{x \to c} \frac{f'(x)}{g'(x)} $$
2.3 Основа доказательства: теорема Коши о среднем значении

Теорема Коши о среднем значении. Пусть $f$ и $g$ непрерывны на $[a,b]$ и дифференцируемы на $(a,b)$, причём $g'(x) \neq 0$ на $(a,b)$. Тогда существует хотя бы одна точка $c \in (a,b)$ такая, что:

$$ \frac{f'(c)}{g'(c)} = \frac{f(b) - f(a)}{g(b) - g(a)} $$

Замечание: При $g(x) = x$ это сводится к обычной теореме о среднем значении (теореме Лагранжа).

Набросок доказательства (случай 0/0, правосторонний предел)

Приведём набросок доказательства для $\lim_{x \to a^+} \frac{f(x)}{g(x)}$, где $f(a) = g(a) = 0$:

  1. Поскольку $g'(x) \neq 0$ вблизи $a$, по теореме о среднем значении $g(x) \neq 0$ вблизи $a$ (иначе по теореме Ролля $g'$ обращалась бы в ноль).
  2. Для любого $x$ вблизи $a$ (при $x > a$) применим теорему Коши на $[a, x]$: существует $c_x \in (a, x)$ такое, что $$ \frac{f(x)}{g(x)} = \frac{f(x) - f(a)}{g(x) - g(a)} = \frac{f'(c_x)}{g'(c_x)} $$
  3. При $x \to a^+$ имеем $c_x \to a^+$ (так как $a < c_x < x$), поэтому $$ \lim_{x \to a^+} \frac{f(x)}{g(x)} = \lim_{c_x \to a^+} \frac{f'(c_x)}{g'(c_x)} = \lim_{x \to a^+} \frac{f'(x)}{g'(x)} $$

Случай $\frac{\infty}{\infty}$ требует более тонкого рассуждения (перезапись отношения с помощью теоремы Коши на интервалах $[x, x_1]$ и контроль остаточных членов при $g(x) \to \infty$), но в основе лежит та же теорема.

Продолжите этот урок на YourAIZone

В полном уроке — объяснение целиком, разобранные примеры, частые ошибки, тесты с мгновенной проверкой и ИИ-репетитор. Начните сразу как гость или создайте аккаунт, чтобы сохранять прогресс.

В полном уроке

  • Объяснение целиком
  • Разобранные примеры
  • Частые ошибки и как их избежать
  • Тестовые вопросы: 15
  • ИИ-репетитор, который отвечает на вопросы по теме
  • Отслеживание прогресса для ученика, родителей и учителя