Правило Лопиталя – вычисление пределов функций с примерами

Решение пределов функций, используя правило Лопиталя

Метод решения

Одним из самых мощных методов раскрытия неопределенностей и вычисления пределов функций является использование правила Лопиталя. Оно позволяет раскрывать неопределенности вида 0/0 или ∞/∞ в конечной или бесконечно удаленной точке, которую мы обозначим как x ₀ . Правило Лопиталя заключается в том, что мы находим производные числителя и знаменателя дроби. Если существует предел , то существует равный ему предел .
Если после дифференцирования мы опять получаем неопределенность, то процесс можно повторить, то есть применить правило Лопиталя уже к пределу . И так далее, до раскрытия неопределенности.

Для применения этого правила, должна существовать такая проколотая окрестность точки x ₀ , на которой функции в числителе и знаменателе являются дифференцируемыми и функция в знаменателе и ее производная не обращается в нуль.

Применение правила Лопиталя состоит из следующих шагов.
1) Приводим неопределенность к виду 0/0 или ∞/∞ . Для этого, если требуется, выполняем преобразования и делаем замену переменной. В результате получаем предел вида .
2) Убеждаемся, что существует такая проколотая окрестность точки x ₀ , на которой функции в числителе и знаменателе являются дифференцируемыми и знаменатель и его производная не обращаются в нуль.
3) Находим производные числителя и знаменателя.
4) Если имеется конечный или бесконечный предел , то задача решена: .
5) Если предела не существует, то это не означает, что не существует исходного предела. Это означает, что данную задачу решить с помощью правила Лопиталя нельзя. Нужно применить другой метод (см. пример ниже).
6) Если в пределе вновь возникает неопределенность, то к нему также можно применить правило Лопиталя, начиная с пункта 2).

Как указывалось выше, применение правила Лопиталя может привести к функции, предела которой не существует. Однако это не означает, что не существует исходного предела. Рассмотрим следующий пример.
.
Применяем правило Лопиталя. , .
Однако предела не существует. Не смотря на это, исходная функция имеет предел:
.

Правило Лопиталя. Формулировки теорем

Здесь мы приводим формулировки теорем, на которых основывается раскрытие неопределенностей по правилу Лопиталя.

Теорема о раскрытии неопределенности 0/0
Пусть функции f и g имеют производные в проколотой (двусторонней или односторонней) окрестности конечной или бесконечно удаленной ( ) точки , причем и не равны нулю в этой окрестности. И пусть
.
Тогда, если существует конечный или бесконечный предел
,
то существует равный ему предел
.
Здесь для двусторонней окрестности. Для односторонней окрестности, , или .

Теорема о раскрытии неопределенности ∞/∞
Пусть функции f и g имеют производные в проколотой (двусторонней или односторонней) окрестности конечной или бесконечно удаленной ( ) точки , причем не равна нулю в этой окрестности. И пусть
.
Тогда, если существует конечный или бесконечный предел
,
то существует равный ему предел
.
Здесь для двусторонней окрестности. Для односторонней окрестности, , или .

Примеры

Все примеры Далее мы приводим подробные решения следующих пределов с помощью правила Лопиталя.
⇓, ⇓, ⇓,
⇓, ⇓, ⇓.

Пример 1

Все примеры ⇑ Показать, что экспонента растет быстрее любой степенной функции, а логарифм – медленнее. То есть показать, что
А) ;
Б) ,
где .

Рассмотрим предел А). При . Это неопределенность вида . Для ее раскрытия применим правило Лопиталя. Пусть
.
Находим производные. . Тогда
.
Если , то неопределенность исчезает, поскольку при . По правилу Лопиталя,
.

Если , то применяем правило Лопиталя n раз, где – целая часть числа b .
;

.
Поскольку , то . Хотя мы привыкли читать слева направо, но эту серию равенств следует читать справа налево следующим образом. Поскольку существует предел , то существует равный ему предел . Поскольку существует предел , то существует равный ему предел . И так далее, пока не дойдем до предела .

Теперь рассмотрим предел Б):
. Сделаем замену переменной . Тогда ; при ; .

Пример 2

Все примеры ⇑ Найти предел с помощью правила Лопиталя:
.

Это неопределенность вида 0/0 . Находим по правилу Лопиталя.

Здесь, после первого применения правила мы снова получили неопределенность. Поэтому применили правило Лопиталя второй раз. Эту серию равенств нужно читать справа налево следующим образом. Поскольку существует предел , то существует равный ему предел . Поскольку существует предел , то существует равный ему исходный предел .

Пример 3

Все примеры ⇑ Вычислить предел, используя правило Лопиталя.
.

Найдем значения числителя и знаменателя при :
;

.
Числитель и знаменатель равны нулю. Мы имеем неопределенность вида 0/0 . Для ее раскрытия, применим правило Лопиталя.

Пример 4

Все примеры ⇑ Решить предел с помощью правила Лопиталя.
.

Здесь мы имеем неопределенность вида (+0) +0 . Преобразуем ее к виду +∞/+∞ . Для этого выполняем преобразования.
.

Находим предел в показателе степени, применяя правило Лопиталя.
.

Поскольку экспонента – непрерывная функция для всех значений аргумента, то
.

Пример 5

Все примеры ⇑ Найти предел используя правило Лопиталя:
.

Здесь мы имеем неопределенность вида ∞ – ∞ . Приводя дроби к общему знаменателю, приведем ее к неопределенности вида 0/0 :
.

Применяем правило Лопиталя.
;
;
.

Здесь у нас снова неопределенность вида 0/0 . Применяем правило Лопиталя еще раз.
;

;
.

Окончательно имеем:

.
Как и во всех пределах, вычисляемых с помощью правила Лопиталя, читать нужно с конца. Поскольку существует предел , то существует равный ему предел . Поскольку существует предел , то существует равный ему исходный предел .

Примечание. Можно упростить вычисления, если воспользоваться теоремой о замене функций эквивалентными в пределе частного. Согласно этой теореме, если функция является дробью или произведением множителей, то множители можно заменить на эквивалентные функции. Поскольку при , то

Использованная литература:
Л.Д. Кудрявцев, А.Д. Кутасов, В.И. Чехлов, М.И. Шабунин. Сборник задач по математическому анализу. Том 1. Москва, 2003.

Автор: Олег Одинцов . Опубликовано: 05-05-2019

Правило Лопиталя: теория и примеры решений

Правило Лопиталя и раскрытие неопределённостей

Производная от функции недалеко падает, а в случае правил Лопиталя она падает точно туда же, куда падает исходная функция. Это обстоятельство помогает в раскрытии неопределённостей вида 0/0 или ∞/∞ и некоторых других неопределённостей, возникающих при вычислении предела отношения двух бесконечно малых или бесконечно больших функций. Вычисление значительно упрощается с помощью этого правила (на самом деле двух правил и замечаний к ним):

Как показывает формула выше, при вычислении предела отношений двух бесконечно малых или бесконечно больших функций предел отношения двух функций можно заменить пределом отношения их производных и, таким образом, получить определённный результат.

Перейдём к более точным формулировкам правил Лопиталя.

Правило Лопиталя для случая предела двух бесконечно малых величин. Пусть функции f(x) и g(x) имеют производные (то есть дифференцируемы) в некоторой окрестности точки a. А в самой точке a они могут и не иметь производных. При этом в окрестности точки a производная функции g(x) не равна нулю ( g‘(x)≠0 ) и пределы этих функций при стремлении икса к значению функции в точке a равны между собой и равны нулю:

Тогда предел отношения этих функций равен пределу отношения их производных:

Правило Лопиталя для случая предела двух бесконечно больших величин. Пусть функции f(x) и g(x) имеют производные (то есть дифференцируемы) в некоторой окрестности точки a. А в самой точке a они могут и не иметь производных. При этом в окрестности точки a производная функции g(x) не равна нулю ( g‘(x)≠0 ) и пределы этих функций при стремлении икса к значению функции в точке a равны между собой и равны бесконечности:

Тогда предел отношения этих функций равен пределу отношения их производных:

Иными словами, для неопределённостей вида 0/0 или ∞/∞ предел отношения двух функций равен пределу отношения их производных, если последний существует (конечный, то есть равный определённому числу, или бесконечный, то есть равный бесконечности).

Замечания.

1. Правила Лопиталя применимы и тогда, когда функции f(x) и g(x) не определены при x = a.

2. Если при вычисления предела отношения производных функций f(x) и g(x) снова приходим к неопределённости вида 0/0 или ∞/∞, то правила Лопиталя следует применять многократно (минимум дважды).

3. Правила Лопиталя применимы и тогда, когда аргумент функций (икс) стремится не к конечному числу a, а к бесконечности (x → ∞).

К неопределённостям видов 0/0 и ∞/∞ могут быть сведены и неопределённости других видов.

Раскрытие неопределённостей видов “ноль делить на ноль” и “бесконечность делить на бесконечность”

Пример 1. Вычислить предел отношения двух функций, пользуясь правилом Лопиталя:

Решение. Подстановка в заданную функцию значения x=2 приводит к неопределённости вида 0/0. Поэтому производную каждой функции и получаем

В числителе вычисляли производную многочлена, а в знаменателе – производную сложной логарифмической функции. Перед последним знаком равенства вычисляли обычный предел, подставляя вместо икса двойку.

Пример 2. Вычислить предел отношения двух функций, пользуясь правилом Лопиталя:

Решение. Подстановка в заданную функцию значения x=0 приводит к неопределённости вида 0/0. Поэтому вычисляем производные функций в числителе и знаменателе и получаем:

Пример 3. Вычислить предел отношения двух функций, пользуясь правилом Лопиталя:

Пример 4. Вычислить

Решение. Подстановка в заданную функцию значения икса, равного плюс бесконечности, приводит к неопределённости вида ∞/∞. Поэтому применим правило Лопиталя:

Замечание. Переходим к примерам, в которых правило Лопиталя приходится применять дважды, то есть приходить к пределу отношений вторых производных, так как предел отношения первых производных представляет собой неопределённость вида 0/0 или ∞/∞.

Пример 5. Вычислить предел отношения двух функций, пользуясь правилом Лопиталя:

Здесь правило Лопиталя применено дважды, поскольку и предел отношения функций, и предел отношения производных дают неопределённость вида ∞/∞.

Пример 6. Вычислить

Здесь правило Лопиталя применено дважды, поскольку и предел отношения функций, и предел отношения производных дают неопределённость вида 0/0.

Пример 7. Вычислить

Здесь правило Лопиталя применено дважды, поскольку и предел отношения функций, и предел отношения производных сначала дают неопределённость вида – ∞/∞, а затем неопределённость вида 0/0.

Пример 8. Вычислить

Здесь правило Лопиталя применено дважды, поскольку и предел отношения функций, и предел отношения производных сначала дают неопределённость вида ∞/∞, а затем неопределённость вида 0/0.

Применить правило Лопиталя самостоятельно, а затем посмотреть решение

Пример 9. Вычислить

Подсказка. Здесь придётся попыхтеть несколько больше обычного над преобразованием выражений под знаком предела.

Пример 10. Вычислить

Подсказка. Здесь правило Лопиталя придётся применять трижды.

Раскрытие неопределённостей вида “ноль умножить на бесконечность”

Пример 11. Вычислить

(здесь неопределённость вида 0∙∞ мы преобразовали к виду ∞/∞, так как

а затем применили правила Лопиталя).

Пример 12. Вычислить

В этом примере использовано тригонометрическое тождество .

Раскрытие неопределённостей видов “ноль в степени ноль”, “бесконечность в степени ноль” и “один в степени бесконечность”

Неопределённости вида , или обычно приводятся к виду 0/0 или ∞/∞ с помощью логарифмирования функции вида

Чтобы вычислить предел выражения , следует использовать логарифмическое тождество , частным случаем которого является и свойство логарифма .

Используя логарифмическое тождество и свойство непрерывности функции (для перехода за знак предела), предел следует вычислять следующим образом:

Отдельно следует находить предел выражения в показателе степени и возводить e в найденную степень.

Пример 13. Вычислить, пользуясь правилом Лопиталя

Вычисляем предел выражения в показателе степени

Пример 14. Вычислить, пользуясь правилом Лопиталя

Вычисляем предел выражения в показателе степени

Пример 15. Вычислить, пользуясь правилом Лопиталя

Вычисляем предел выражения в показателе степени

Раскрытие неопределённостей вида “бесконечность минус бесконечность”

Это случаи, когда вычисление предела разности функций приводит к неопределённости “бесконечность минус бесконечность”: .

Вычисление такого предела по правилу Лопиталя в общем виде выглядит следующим образом:

В результате таких преобразований часто получаются сложные выражения, поэтому целесообразно использовать такие преобразования разности функций, как приведение к общему знаменателю, умножение и деление на одно и то же число, использование тригонометрических тождеств и т.д.

Пример 16. Вычислить, пользуясь правилом Лопиталя

Решение. Пользуясь вышеперечисленными рекомендациями, получаем

Пример 17. Вычислить, пользуясь правилом Лопиталя

Решение. Пользуясь вышеперечисленными рекомендациями, получаем

Вычисление пределов с помощью правила Лопиталя

Правило Лопиталя — в чем суть, понятие
Доказательство 1 и 2 правила Лопиталя, вывод теоремы
Правило Лопиталя для вычисления пределов
- Раскрытие неопределенностей по правилу Лопиталя
Формула и примеры решений

Правило Лопиталя — в чем суть, понятие
Доказательство 1 и 2 правила Лопиталя, вывод теоремы
Правило Лопиталя для вычисления пределов
- Раскрытие неопределенностей по правилу Лопиталя
Формула и примеры решений

В задачах на пределы можно столкнуться с ситуациями, разрешить которые достаточно просто, используя правило Лопиталя. Относительно простая закономерность является очень полезной, когда требуется найти ответ к заданию по математике или математическому анализу. При этом важно владеть навыками дифференцирования.

Правило Лопиталя — в чем суть, понятие

Название этой закономерности не совсем соответствует действительности. Было бы правильнее говорить «правило Лопиталя — Бернулли». Первая подробная формулировка была представлена швейцарским математиком Иоганном Бернулли. Французский ученый Гийом Лопиталь впервые опубликовал это правило в издании собственного учебника в 1696 году.

Правило Лопиталя позволяет существенно упростить некоторые расчеты предела отношения (displaystyle frac) при (xrightarrow a) в том случае, когда (f) и (g) одновременно представляют собой бесконечно малые, либо бесконечно большие величины. С помощью выведенной закономерности допустимо осуществлять замену предела отношения функции, используя предел отношения их производных.

Доказательство 1 и 2 правила Лопиталя, вывод теоремы

Теорема 1

Допустим, что функции (f(x)) и (g(x)) дифференцируются на промежутке ((a,b)) :

(g'(x)neq 0 ) для всех ( xin(a,b))

Тогда имеет место конечный и бесконечный:

Таким образом, также существует и равен A:

Можно сделать вывод:

Докажем данную теорию.

Допустим, что (xin(a,b))

Следует доопределить функции (f(x)) и (g(x)) в точке a, имея в виду, что:

Таким образом, из условий функций следует, что (f) и (g) непрерывны на отрезке [a,x]. По теореме Коши имеется точка (xiin (a,x)) , такая, что:

В том случае, когда (xrightarrow a+0) , можно определить, что (xirightarrow a+0) . Зная, что существует (displaystyle lim_frac=A) , можно сделать вывод о справедливости утверждения (eqref) .

Теорема, доказательства которой представлены путем соответствующих изменений ее условий, работает, когда (xrightarrow a-0) и (xrightarrow a) . Точка a в данном случае является конечной.

Теорема 1 остается справедливой в таких ситуациях, когда (a=+infty) или (a=-infty) , а также:

Доказательство данного утверждения выполнено с помощью замены переменного (displaystyle x=frac<1>) и Теоремы 1.

Теорема 2

Допустим, что функции (f(x)) и (g(x)) дифференцируются при (x > alpha) и (g'(x)neq 0) при (x > alpha)

и существует конечный:

В таком случае, существует (displaystyle lim_frac) , равный A.

Доказательство

(existsalpha_ <1>> alpha: forall x > alpha_<1>rightarrow |f(x)| > 1)

Исходя из записанного выражения, получим, что (f(x)neq 0) и ( g(x)neq 0) при (x > alpha_1) .

Согласно определению, для заданного числа (varepsilon > 0) можно вычислить (delta=delta_1(varepsilon)geq alpha_1) такое, что для всех (t > delta_<1>) выполняется неравенство:

Определив (x_ <0>> delta_<1>) на рисунке, выберем число (delta_ <2>> x_<0>) такое, чтобы при всех (x > delta_<2>) выполнялись неравенства:

В качестве доказательства выражения нужно определить, что существует (delta) такое, при котором, если все (x > delta) , выполняется неравенство:

Число (delta) будет выбрано ниже. Учитывая, что (x > delta) , можно применить к функциям (f) и (g) на интервале ([x_0,x]) теорему Коши о среднем. Согласно данному утверждению, должна существовать точка (xiin [x_<0>,x]) такая, при которой:

Преобразуем левую часть равенства:

Можно заметить, что (beta(x)rightarrow 0) при (xrightarrow +infty) .

(forall varepsilon > 0 existsdeltageqdelta_<2>: forall x > deltarightarrow|beta(x)|

Исходя из того, что (xi > x_ <0>> delta_<1>) и вышеуказанных выражений, следует, что для всех (x > delta_<2>) выполняется неравенство:

Когда (x > delta) , получаем (phi(x) > 0.)

Таким образом, выведенное неравенство равносильно следующему:

Исходя из этого утверждения, можно записать:

Аналогичным способом можно определить:

Получим, что для всех (x > delta) справедливо выведенное в теореме неравенство.

Теорема 2 работает при условии, что (A=+infty) или (A=-infty) .

Теорема справедлива и в тех случаях, когда (xrightarrow a (xrightarrow a-0, xrightarrow a+0)) , где a является конечной точкой.

Исходя из теорем 1 и 2, правило Лопиталя можно применять для раскрытия неопределенностей вида (displaystyle frac<0><0>) или (displaystyle frac) .

Неопределенности видов (0cdot infty, infty-infty, 0^<0>, infty^<0>, 1^) нередко удается преобразить в неопределенности типа (displaystyle frac<0><0>) или (displaystyle frac) , используя при этом различные преобразования.

Правило Лопиталя для вычисления пределов

Решить пределы можно различными методами и формулами. Наиболее быстрый и простой способ, а также универсальный — это правило Лопиталя. Умение искать производные разных функций позволит использовать данную закономерность наиболее эффективно. Можно сформулировать правило Лопиталя при следующих условиях:

(lim limits_ f(x) = lim limits_ g(x) = 0 text < или >infty)
имеются (f'(a) text < и >g'(a))
(g'(x)neq0)
присутствует (lim limits_ frac)

нужно подставить точку x в предел;
в том случае, когда получается (frac<0><0>text < или >frac) , можно определить производную числителя и знаменателя;
далее следует подставить точку x в записанный предел и рассчитать его. При получении неопределенности следует повторить пункты 2 и 3.

Раскрытие неопределенностей по правилу Лопиталя

В том случае, когда функции (f(x)) и (g(x)) дифференцируются в точке a, при этом (f(a)=g(a)=0) и (g'(a)neq 0) , то, применяя к функциям (f) и (g) локальную формулу Тейлора при (n=1) , получаем:

Аналогичным методом можно определить, что, при условии (f^<(n)>a) и (g^<(n)>a) , получим:

Учитывая, что (g^<(n)>(a)neq 0) , можно записать выражение:

Правило Лопиталя применимо в случае неопределенностей типа (0 cdot infty, infty – infty, 0^0, 1^, infty^0.)

Первую и вторую неопределенности (0 cdot infty) и (infty – infty) достаточно просто преобразовать в (largefrac<0><0>normalsize) или (largefracnormalsize) по средствам алгебраических операций. А неопределенности (0^0, 1^) и (infty^0) можно свести к типу (0 cdot infty) , используя соотношение:

Формула и примеры решений

Правило Лопиталя: в том случае, когда две функции дифференцируемы в окрестности точки x=a, обращаются в нуль в этой точке, и существует предел отношения производных этих функций, то при х, которое стремится к а, существует предел отношения самих функций, который соотвесттвует пределу отношения производных.

Формула имеет следующий вид:

Задача 1

Требуется найти предел:

Решение

В полученной неопределенности (frac<0><0>) можно заменить (х) точкой (x = -1) . Данный вывод говорит о необходимости применения формулы расчета предела. Получим:

Далее необходимо вновь рассчитать предел с помощью подстановки (x=-1) в последний предел. Таким образом:

Задача 2

Требуется вычислить предел, используя правило Лопиталя:

Решение

Алгоритм вычислений стандартный:

Задача 3

Необходимо предоставить решение предела с помощью формулы Лопиталя:

Задача 4

Нужно решить предел:

Решение

Правилом Лопиталя допустимо пользоваться при решении задач с односторонними пределами. Можно сказать, что эта методика является наиболее эффективной для раскрытия неопределенностей вида (frac<0><0>) и (frac) в том случае, когда необходимо вычислить предел. Смысл правила заключается в том, что предел отношения функций равен пределу отношений производных от этих функций. Если в процессе освоения этой и других подобных тем возникли сложности, всегда можно обратиться за помощью к сервису Феникс.Хелп.

Правило Лопиталя для чайников: определение, примеры решения, формулы

12 января 2021 г.
8 минут
43 291

Мы уже начали разбираться с пределами и их решением. Продолжим по горячим следам и разберемся с решением пределов по правилу Лопиталя. Этому простому правилу по силам помочь Вам выбраться из коварных и сложных ловушек, которые преподаватели так любят использовать в примерах на контрольных по высшей математике и матанализу. Решение правилом Лопиталя – простое и быстрое. Главное – уметь дифференцировать.

Правило Лопиталя: история и определение

На самом деле это не совсем правило Лопиталя, а правило Лопиталя-Бернулли. Сформулировал его швейцарский математик Иоганн Бернулли, а француз Гийом Лопиталь впервые опубликовал в своем учебнике бесконечно малых в славном 1696 году. Представляете, как людям приходилось решать пределы с раскрытием неопределенностей до того, как это случилось? Мы – нет.

Кстати, о том, какой вклад внес в науку сын Иоганна Бернулли, читайте в статье про течение жидкостей и уравнение Бернулли.

Пределы

Прежде чем приступать к разбору правила Лопиталя, рекомендуем прочитать вводную статью про пределы в математике и методы их решений. Часто в заданиях встречается формулировка: найти предел, не используя правило Лопиталя. О приемах, которые помогут Вам в этом, также читайте в нашей статье.

Если имеешь дело с пределами дроби двух функций, будь готов: скоро встретишься с неопределенностью вида 0/0 или бесконечность/бесконечность. Как это понимать? В числителе и знаменателе выражения стремятся к нулю или бесконечности. Что делать с таким пределом, на первый взгляд – совершенно непонятно. Однако если применить правило Лопиталя и немного подумать, все становится на свои места.

Но сформулируем правило Лопиталя-Бернулли. Если быть совершенно точными, оно выражается теоремой. Правило Лопиталя, определение:

Если две функции дифференцируемы в окрестности точки x=a обращаются в нуль в этой точке, и существует предел отношения производных этих функций, то при х стремящемся к а существует предел отношения самих функций, равный пределу отношения производных.

Запишем формулу, и все сразу станет проще. Правило Лопиталя, формула:

Так как нас интересует практическая сторона вопроса, не будем приводить здесь доказательство этой теоремы. Вам придется или поверить нам на слово, или найти его в любом учебнике по математическому анализу и убедится, что теорема верна.

Кстати! Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы

Раскрытие неопределенностей по правилу Лопиталя

В раскрытии каких неопределенностей может помочь правило Лопиталя? Ранее мы говорили в основном о неопределенности 0/0. Однако это далеко не единственная неопределенность, с которой можно встретиться. Вот другие виды неопределенностей:

Рассмотрим преобразования, с помощью которых можно привести эти неопределенности к виду 0/0 или бесконечность/бесконечность. После преобразования можно будет применять правило Лопиталя-Бернулли и щелкать примеры как орешки.

Неопределенности

Неопределенность вида бесконечность/бесконечность сводится к неопределенность вида 0/0 простым преобразованием:

Пусть есть произведение двух функций, одна из которых первая стремиться к нулю, а вторая – к бесконечности. Применяем преобразование, и произведение нуля и бесконечности превращается в неопределенность 0/0:

Для нахождения пределов с неопределенностями типа бесконечность минус бесконечность используем следующее преобразование, приводящее к неопределенности 0/0:

Для того чтобы пользоваться правилом Лопиталя, нужно уметь брать производные. Приведем ниже таблицу производных элементарных функций, которой Вы сможете пользоваться при решении примеров, а также правила вычисления производных сложных функций:

Таблица производных

Теперь перейдем к примерам.

Пример 1

Найти предел по правилу Лопиталя:

Пример 2

Вычислить с использованием правила Лопиталя:

Важный момент! Если предел вторых и последующих производных функций существует при х стремящемся к а, то правило Лопиталя можно применять несколько раз.

Найдем предел (n – натуральное число). Для этого применим правило Лопиталя n раз:

Желаем удачи в освоении математического анализа. А если Вам понадобится найти предел используя правило Лопиталя, написать реферат по правилу Лопиталя, вычислить корни дифференциального уравнения или даже рассчитать тензор инерции тела, обращайтесь к нашим авторам. Они с радостью помогут разобраться в тонкостях решения.

Контрольная работа от 1 дня / от 120 р. Узнать стоимость
Дипломная работа от 7 дней / от 9540 р. Узнать стоимость
Курсовая работа 5 дней / от 2160 р. Узнать стоимость
Реферат от 1 дня / от 840 р. Узнать стоимость

Иван Колобков, известный также как Джони. Маркетолог, аналитик и копирайтер компании Zaochnik. Подающий надежды молодой писатель. Питает любовь к физике, раритетным вещам и творчеству Ч. Буковски.

Правило Лопиталя для вычисления пределов, примеры с подробным решением, доказательство

Одной из основных теорем в математическом анализе является правило Лопиталя. Этот закон, предложенный французским учёным, используется для вычисления пределов функций, когда формулы Тейлора применить невозможно. Идейно он достаточно простой, однако его доказательство содержит технические тонкости, на которые следует обратить пристальное внимание.

Общие сведения

Важным понятием в высшей математике является определение бесконечности. Эта неопределённость обозначается символом ∞. Когда её упоминают, то имеют в виду как бесконечно малое число, так и большое. Для записи предела функций используется знак лимита, например, lim 0k (y). В нижней части указывается аргумент со стрелочкой, обозначающей, к чему именно стремится неопределённость. Если предел известный, то он называется конечным, в ином случае — бесконечным.

Когда нельзя установить, является ограничение бесконечным или конечным, то говорят, что предела для рассматриваемой функции не существует. Это возможно, например, когда ограничение тригонометрической функции стремится к бесконечности. Существует несколько способов вычисления пределов: правило Лопиталя, формулы Тейлера, графический метод, подставление неизвестного в функцию.Указанные способы можно применять для нахождения того или иного предела, но для неопределённости вида 0/0 или ∞/∞, а также вычисления отношений бесконечно малых или больших выражений лучше всего использовать закон Лопиталя. Состоит он из двух правил:

Для бесконечно малых величин. Когда функции k (y) и d (y) можно дифференцировать в некоторой области точки, исключая саму её, при этом в этой окрестности производная выражения неравна нулю, а пределы этих функций равны нулю, то отношение ограничения этих функций будет равно пределу отношения их производных.
Для бесконечно больших значений. Если две функции k (y) и d (y) можно дифференцировать по окрестности взятой точки, но при этом её саму исключить, учитывая, что в рассматриваемой окрестности производная d (y) не равняется нулю, то когда функции в этой точке равны бесконечности, предел отношения этих выражений тождественен отношению их производных.

Другими словами, смысл теоремы Лопиталя заключается в том, что когда нужно найти ограничение для двух функций, отношение которых даёт неопределённость 0/0 или ∞/∞, то можно взять производные этих выражений и найти их отношение. Это действие приведёт к получению искомого ответа. Метод позволяет упростить вычисление сложных показательных степенных функций. Его можно применять и при умножении неопределённостей или их вычитании. Например, 0 * ∞, ∞ — ∞.

Доказательство правила

Лопиталь после знакомства с Бернулли смог систематизировать метод Иоганна и издать в 1696 году книгу «Анализ бесконечно малых», где подробно изложил способы решения задач с неопределённостями. Математически его описание состоит из четырёх пунктов:

lim k (y) = lim d (y) = 0 (∞).
Графики k (y) и d (y) приближаются к линейному виду.
d (y)’ ≠ 0.
lim k (y)’ / d (y)’ = lim k (y) / d (y).

Пусть имеется два дифференцируемых выражения, при этом d (y) во всех точках имеет не нулевую производную. При y, стремящемся к a, d стремится к бесконечности. Если предел отношения производных конечного предела или бесконечного равняется числу L, тогда ограничение отношений производных этих функций также будет тождественно этому числу. То есть lim k (y) / d (y) = L, при y → a. Исходя из определения Гейне и Коши, рассматривать можно только монотонные последовательности, которые стремятся к a.

Взяв произвольный ряд, который может расти yn → a, верно утверждать, что в соответствии со следствием теоремы Дарбу и условием d (y)’ ≠ 0, рассматриваемая функция будет строго монотонной. А это означает, что последовательность d (yn) будет такой же. В тоже время из условия lim d (y) = ∞ следует, что d (yn) → ∞. При этом бесконечность может быть как со знаком минус, так и плюс.

Рассмотрим теорему Штольца, а именно отношение: (k (yn+1) — k (yn)) / (d (yn+1) — d (yn)) = k'(Cn) / d'(Cn) = L. Из неё следует, что k (y) / d (y) → L. То есть всегда найдётся такая точка Cn, которая будет принадлежать множеству (Yn+1,Yn). Так как множество стремится к L, то и точка, принадлежащая ему, тоже будет приближаться к L. Поэтому можно утверждать, что и выражение lim k (y) / d (y) → L.

Аналогичным образом первому доказывается и второй случай, когда lim k (y) = lim d (y) = 0. Если предел отношения производных будет L, то ограничения отношений функций будет также равняться этому числу. Из теоремы Дарбу и монотонности получим, что d (Yn) → 0, кроме того k (Yn) → 0. Используя правило Штольце, можно будет утверждать, что k (y) / d (y) → L.

Но на практике часто для решения примеров правило Лопиталя оказывается недостаточным. Это справедливо для заданий, в которых y стремится не к конечному числу, а к бесконечному. Поэтому для таких задач используется следствие из теоремы. Согласно ему, при k → 0 и d → 0, а y → + ∞. Тогда существует предел lim k'(y) / d'(y) = AЄR и предел отношений lim k (y) / d (y) = A. Этот вспомогательный закон очень важен и то же может быть доказан.

Следствие из утверждения

Перед доказательством следствия нужно условиться, что в выражении a будет всегда больше либо равно единице. Это возможно исходя из того, что если a будет меньше единицы, то доказывать нужно будет правило только от единицы до плюс бесконечности. Кроме этого, необходимо ввести замену вида t = 1/y. Она необходима, так как во многом облегчает сведение доказательства к теореме Лопиталя.

Пусть имеется функция K (t), равная k, и D (t), равная d. При этом аргумент последней будет 1/t. Так как по условию правила функции k и d определены на интервале от a до плюс бесконечности, то можно сказать, что функции K и D известны на интервале от нуля до единицы, делённом на a. Это верно из-за того, что если в исходной функции k и d икс подходил достаточно близко к плюс бесконечности, то в силу сделанной ранее замены t будет приближаться к нулю. Если же икс близок к a, то t будет приближаться к значению 1/a.

Так как a больше либо равняется единице, то интервал от нуля до единицы, делённой на a, будет определён корректно. Чтобы воспользоваться теоремой Лопиталя, нужно доказать, что предел lim K'(t) / D'(t) при t, стремящемся к нулю, равняется A. В силу того, что K (t) = k (1/t) и D (t) = d (1/t), можно написать: lim K'(t) / D'(t) = lim k'(1/t)’ / d'(1/t)’ .

Теперь нужно воспользоваться теоремой о производной композиции, условия которой выполнены. Вначале нужно взять производную внутренней функции, а затем внешней. Должно получиться следующее выражение: lim -1/ t 2 k ‘(1/ t) / (-1/ t 2 ) * d ‘ (1/ t) = lim K ‘(t) / D ‘(t) = lim k ‘(y)/ d (y) = A.

Отсюда можно утверждать, что предел отношений K'(t) / D'(t) будет равняться A. Все условия теоремы Лопиталя выполнены. А это значит, что существует предел отношения функций при t, стремящемся к нулю, равный A. Теперь можно снова применить теорему о пределе композиций и от переменной t перейти обратно к иксу: lim K (t)/D (t) = lim k (y)/(d (y) = A.

Таким образом можно сделать вывод, что требуемое утверждение верно. Использование правила и следствия позволяет выполнить быстрый расчёт неопределённости 0/0 или ∞/∞. При этом другого вида выражение можно свести к этой неопределённости. Это намного упрощает работу, особенно если необходимо логарифмировать или возводить в степень.

Решение примеров

Закрепить правило лучше всего на соответствующих примерах. Существуют типовые задания, чаще всего встречающиеся на контрольных работах. Например, требуется найти предел отношения натурального логарифма от тангенса икс к котангенсу два икс, когда неизвестное стремится к p /4. Помощь в решении окажет правило Лопиталя, которое при сравнении с альтернативными методами окажется на порядок проще.

Для того чтобы понять, какого вида неопределённость в задании, нужно в числитель и знаменатель подставить p/4. Тогда: ln td p /4 = ln 1 = 0 и ctd p /2 = 0. По правилу можно свести нахождение предела функций к вычислению их производных. Искомый предел: A = lim (lntdy ‘) / (ctd 2 y)’ = lim (ctdy * 1/ cos 2 y) / 2 (-1/ sin 2 2 y) = lim (-sin 2 y)(2 * siny * cosy) = (-½) * lim (sin 2 2 y / siny * cosy) = — ½ * 1/½ = -1. Таким образом, решение будет равняться минус единице.

Пусть есть выражение вида: lim y ½ (p — 2 arctd √ y) = A. Нужно определить предел при иксе, стремящемся к плюс бесконечности. Чтобы воспользоваться правилом, исходное выражение нужно привести к дробному виду. Для этого выражение можно переписать как lim (p — 2 arctd √ y) / y ½ . В этом случае имеет место неопределённость 0/0. Поэтому можно рассматривать отношение производной делимого на делитель: A = lim (2 *(1/1+ y) * ½ * y -½ ) / ½ * y -3/2 = lim 2y/(1+y) = 2 lin 1 /(1+ 1/ y) = 2.

Замечательным случаем является неопределённость вида ∞/∞. Например, требуется найти предел lim k (y) при иксе, стремящемся к бесконечности, где функция k (y) = y /e y . По теореме Лопиталя A = lim (y)’ / (e y )’, а это выражение есть не что иное, как lim 1/e y , равняющийся нулю. Теперь можно рассмотреть пример сложнее.

Пусть дано выражение нормальной функции со степенью: lim y y = A, где A = lim k (y). Проэкспоненцируя эту функцию, выражение можно привести к виду: y y = e y *lny . Если найти, к чему стремится показатель экспоненты, то это и будет решением рассматриваемого примера. Можно записать: lim y * lny = lim lny /1/ y = lim (1/ y)/(-1/ y 2 ) = 0. Если предел в показателе экспоненты стремится к нулю, то можно написать, что он будет равняться e 0 , то есть единице. А это и будет искомый предел: lim k (y) = 1 при иксе, стремящемся к плюс бесконечности.

Закон Лопиталя является хорошим помощником при вычислении особо экзотических пределов. При этом можно попробовать составить выражение, отвечающее условиям правила и из неявного вида функции. Для этого можно использовать раскрытие скобок, дополнительно умножить или разделить функцию на однородный многочлен.

Использование онлайн-калькулятора

Не всегда задания, попадающиеся на практике, довольно легко привести к условию, отвечающему правилу. Да и нередко сама функция настолько умудрённая, что для определения производной понадобится не только проявить внимание и усидчивость, но и затратить довольно много времени. Поэтому в таких случаях есть резон решать задания на онлайн-калькуляторе с подробным решением. Правило Лопиталя отлично поддаётся автоматизированному вычислению.

Такую услугу предлагают более десятка специализированных на математических расчётах сайтов. Доступ к вычислениям предоставляется полностью бесплатно. От пользователя даже не требуется регистрации и указания персональных данных. Работают они на основе алгоритмов, заложенных в программный код используемого онлайн-приложения. Пользователю нужно лишь только подключение к интернету и любой веб-обозреватель.

Все его действия сводятся к введению в предложенную форму условия примера и нажатия кнопки «Рассчитать». После этого программа автоматически вычислит ответ и выведет его на дисплей. При этом в большинстве случаев вместе с ответом приложение отобразит пошаговый расчёт с комментариями. Это позволит потребителю не просто получить готовый ответ, но и разобраться в решении.

Из наиболее популярных сайтов можно выделить следующую пятёрку:

Math.semestr.
Kontrolnaya-rabota
Planetcalc.
Math24.
Webmath.

Все эти сайты имеют интуитивно понятный интерфейс на русском языке. Кроме предоставления услуги онлайн-калькулятора, на их страницах содержится вся необходимая теория, помогающая понять, как происходит нахождение ответа. А также приведены несколько типовых примеров с подробным решением.

Пользоваться такими сайтами сможет даже пользователь, ничего не понимающий в математическом анализе. Но решая различные примеры, со временем он поймёт суть идеи правила и сможет самостоятельно вычислять пределы функций. При этом такие сайты являются отличным подспорьем как инженерам, проводящим сложные вычисления, так и студентам, проверяющим свои навыки.

Правило Лопиталя

При вычислении предела отношения (displaystyle frac) при (xrightarrow a) в случае, когда функции (f) и (g) одновременно являются либо бесконечно малыми, либо бесконечно большими, иногда удобно применить так называемое правило Лопиталя, позволяющее заменять предел отношения функций пределом отношения их производных.

Неопределенность вида (displaystyle frac<0><0>).

(triangle) Обозначим (f(x)=3x^10-2x^5-1), (g(x)=x^3-4x^2+3). Тогда (f'(x)=30x^9-10x^4), (g'(x)=3x^2-8x), (f(1)=g(1)=0), (f'(1)=20), (g'(1)=-5), и по формуле eqref находим, что искомый предел равен (-4). (blacktriangle)

(circ) Пусть (xin(a,b)). Доопределим функции (f(x)) и (g(x)) в точке (a), полагая
$$
f(a)=g(a)=0.label
$$
Тогда из условий eqref и eqref следует, что функции (f) и (g) непрерывны на отрезке ([a,x]). По теореме Коши существует точка (xiin (a,x)) такая, что
$$
frac=frac=frac.label
$$
Если (xrightarrow a+0), то (xirightarrow a+0) и в силу условия eqref существует (displaystyle lim_frac=A). Поэтому из равенства eqref следует, что справедливо утверждение eqref. (bullet)

Доказанная теорема (с соответствующими изменениями ее условий) остается справедливой при (xrightarrow a-0) и (xrightarrow a), где (a) — конечная точка.

Эта теорема остается в силе и для случая, когда (a=+infty) (или (a=-infty)), если (displaystyle lim_f(x)=lim_ g(x)=0, g'(x)neq 0) при (x > x_0) и существует (displaystyle lim_frac=A); в этом случае (displaystyle lim_frac=A). Доказательство этого утверждения основано на использовании замены переменного (displaystyle x=frac<1>) и теоремы 1.

Неопределенность вида (displaystyle frac).

(circ) Из условий eqref следует, что
$$
existsalpha_ <1>> alpha: forall x > alpha_<1>rightarrow |f(x)| > 1, |g(x)| > 1,label
$$
и поэтому (f(x)neq 0, g(x)neq 0) при (x > alpha_1). По определению предела eqref для заданного числа (varepsilon > 0) можно найти (delta=delta_1(varepsilon)geq alpha_1) такое, что для всех (t > delta_<1>) выполняется неравенство
$$
A-frac <2> Рис. 19.1

Фиксируя (x_ <0>> delta_<1>) (рис. 19.1), выберем, пользуясь условиями eqref, число (delta_ <2>> x_<0>) такое, чтобы при всех (x > delta_<2>) выполнялись неравенства
$$
left|frac)>right| delta) выполняется неравенство
$$
A-varepsilon delta), применим к функциям (f) и (g) на отрезке ([x_0,x]) теорему Коши о среднем. В силу этой теоремы существует точка (xiin [x_<0>,x]) такая, что
$$
frac)>)>=frac.label
$$
Преобразуем левую часть равенства eqref, используя условия eqref и eqref:
$$
frac)>)>=frac(varphi(x))^<-1>,label
$$
где
$$
varphi(x)=frac<1-g(x_0)/g(x)><1-f(x_0)/f(x)>=1+beta(x).label
$$
Заметим, что (beta(x)rightarrow 0) при (xrightarrow +infty) в силу условий eqref. Поэтому
$$
forall varepsilon > 0 existsdeltageqdelta_<2>: forall x > deltarightarrow|beta(x)| x_ <0>> delta_<1>), то из равенств eqref, eqref и условия eqref следует, что для всех (x > delta_<2>) выполняется неравенство
$$
A-frac <2>delta), то (phi(x) > 0) в силу условий eqref и eqref, и поэтому неравенство eqref равносильно следующему:
$$
(A-frac<2>)(1+beta(x)) A-frac<2>-frac<2>=A-varepsilon.nonumber
$$
Аналогично находим
$$
left(A+frac<2>right)(1+beta(x)) leq A+frac<2>+left(|A|+frac<2>right)|beta(x)| delta) выполняется неравенство eqref. это означает, что справедливо утверждение eqref. (bullet)

Теорема 2 остается в силе и в случае, когда (A=+infty) или (A=-infty). Теорема справедлива и для случая (xrightarrow a (xrightarrow a-0, xrightarrow a+0)), где (a) — конечная точка.

Согласно теореме 1 и теореме 2 правило Лопиталя служит для раскрытия неопределенностей вида (displaystyle frac<0><0>) или (displaystyle frac). Неопределенности видов (0cdot infty, infty-infty, 0^<0>, infty^<0>, 1^) часто удается свести к неопределенностям типа (displaystyle frac<0><0>) или (displaystyle frac) с помощью различных преобразовании.

04.3. Правило Лопиталя

Теорема 4 (Лопиталя) Пусть функции и удовлетворяют следующим условиям:

1) определены и дифференцируемы на интервале , за исключением, быть может, точки , причем и ;

2) (либо ( или ));

3) существует предел (конечный или бесконечный) отношения производных .

Тогда существует также предел отношения функций , причем

Смысл правила Лопиталя заключается в том, что оно позволяет свести вычисление предела отношения функций в случае неопределенности вида или к пределу отношения производных, который очень часто вычисляется проще. Правило Лопиталя справедливо также и в случае .