MA.3.4 未定式的极限

00, ∞∞型未定式

[!theorem] #LHospital法则
设f,g:U˚(x0,δ)→R满足

★limx→x0f(x)=0=limx→x0g(x) f,g∈DU˚(x0,δ),且g′(x)≠0
  • limx→x0f′(x)g′(x)=l(∞或±∞)
  • 则

    limx→x0f(x)g(x)=limx→x0f′(x)g′(x)=l(或∞或±∞)

    ∞∞类似

    Proof:
    补充定义:f(x0)=g(x0)=0
    则:f,g在x0连续⇒在x处连续
    ∴f,g∈C[x0,x],∃ξx∈[x0,x]

    #Cauchy中值定理

    设f,g∈C[a,b]∩D(a,b), 且∀x∈(a,b),g′(x)≠0, 则∃ξ∈(a,b)使
    f(b)−f(a)g(b)−g(a)=f′(ξ)g′(ξ)

    limx→x0f(x)−0g(x)−0=limx→x0f(x)−f(x0)g(x)−g(x0)=limx→x0f′(x)g′(x)=l

    Example

    limx→0xcos⁡x−sin⁡xx3

    Solution:
    =00limx→0−xsin⁡x3x2=−13

    limx→0ex+x−x−2sin2⁡x

    Solution:
    =limx→0ex+e−x−2x2=00limx→0ex−e−x2x=00limx→0ex+e−x2=1

    limx→+∞xμax=0(a>1)

    Proof:
    1. μ=0:显然为0
    2. μ≠0
    ∼μxμ−1axμ−1∼⋯∼μ(μ−1)(μ−2)…(μ−n+1)aμ−naxlnn⁡a=0
    P.S. n(μ)此时是常数

    无穷大的阶: 指>幂>对

    ax>xα>ln⁡x…(a>1,α>0)

    其他类型未定式的极限

    0⋅∞, ∞−∞, 1∞, 00, ∞0

    0⋅∞的转化方法

    Turn to 00

    limx→+∞x(π2−arcsin⁡x)

    Solution:
    =limx→+∞x(π2−arctan⁡x)=limx→+∞π2−arctan⁡xx−1=00limx→+∞11+x21x2=limx→+∞x21+x2=1

    Turn to ∞∞

    limx→0+xln⁡x

    Solution:
    =limx→0+ln⁡x1x=∼limx→0+1x−1x2=∞∞limx→0+(−x)=0

    幂×对在 0+ 的极限为 0

    limx→0+xαln⁡x=0

    ∞−∞的转化方法

    通分

    limx→1(1ln⁡x+11−x)
    =limx→11−x+ln⁡xln⁡x(1−x)=limx→11−x+ln⁡x(1−x)2=12⋯ln⁡x=ln⁡(1+x−1)∼x−1

    limx→0(1sin2⁡x−1x2)

    Solution:
    =limx→0x2−sin2⁡xsin2⁡x⋅x2=limx→0x2−sin2⁡xx4=limx→0(x+sin⁡x)(x−sin⁡x)x⋅x3=limx→0x+sin⁡xx⋅limx→0x−sin⁡xx3=2 ⋅limx→01−cos⁡x3x2=13

    1∞的转化方法

    limx→0(sin⁡xx)1x2

    Solution:
    =elimx→0((sin⁡x/x−1)⋅1/x2)=elimx→0(sin⁡x−x)/x3=e−16

    00的转化方法

    取对

    limx→0+xx=limx→0+exln⁡x=elimx→0+(xln⁡x)=e0=1

    ∞0的转化方法

    Example

    limx→+∞x1xy=y(x):=x1x⇒ln⁡y=ln⁡xx∵limx→+∞x12x=0L′Hospital∞∞∴limx→+∞x1x=limx→+∞eln⁡y=elimx→+∞(ln⁡y)=e0=1

    Example

    #Heine归并定理

    limn→+∞nsin⁡1n

    先求:
    limx→+∞xsin⁡(1x)=elimx→+∞sin⁡(1x)ln⁡x=elimx→+∞ln⁡xx=e0=1

    #Heine归并定理

    函数f(x)在x→x0时有极限的充要条件是
    对于任意一个以x0为极限的数列{an} (an≠x0)都有\lim\limits_{n\to x_{0}}f(a_{n})=l$

    00的转化方法

    Example

    limx→0(1−cos⁡x)tan⁡x=limx→0etan⁡xln⁡(1−cos⁡x)=elimx→0ln⁡(1−cos⁡x)1x=elimx→0sin⁡x1−cos⁡x−1x2=elimx→0x2sin⁡x−(1−cos⁡x)=elimx→0−x312x2=e0=1

    洛必达的失效

    Example

    ★limx→0x2sin⁡(1x)sin⁡x

    Solution 1:
    =limx→0x2sin⁡(1x)x⋯sin⁡x∼x=limx→0xsin⁡(1x)有界量×无穷小=0

    Solution 2:(WRONG)

    limx→0x2sin⁡(1x)sin⁡x=00limx→02xsin⁡(1x)−cos⁡(1x)震荡cos⁡x⋯整个分式无极限⇒商无极限⇒函数无极限

    Example

    ★f∈D [a,+∞)且limx→+∞f(x) 存在
    是否有 limx→+∞f′(x)=0

    Proof:(WRONG)
    构造f(x)x
    (1x无穷小×有界量)=0=limx→+∞f(x)x⧸=∞∞limx→+∞f′(x)1
    函数商⇏导数商
    f′(x)不一定有极限!

    反例:构造震荡
    f(x)=1x⋅sin⁡(x2)
    limx→+∞f(x)=0…0⋅有界量
    f′(x)=sin⁡(x2)+cos(x2)⋅2x⋅1x=sin⁡(x2)+2cos⁡(x2)
    震荡,无极限

    导数商⇒函数商