Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги из ГПНТБ / Любич В.Н. Лекции и практические занятия по высшей математике. Дифференциальное исчисление функций одной переменной [учеб. пособие]

.pdf
Скачиваний:
1
Добавлен:
24.10.2023
Размер:
8.99 Mб
Скачать

Проверяем второе условие — существование конечной производ­ ной во всех внутренних точках промежутка.

Наша функция при .г= 0 не имеет производной!

Действительно, если к нулю подходить справа, то у' = 1 (при

х > 0), если к нулю подходить слева, то у' = — 1 (при х < 0),

т. е. по­

лучается,

что единственного значения у' при х = 0 не имеет,

а это и

означает,

что при х = 0 производная не существует.

 

4 (самостоятельно). Функция у = -

принимает равные зна­

чения на концах промежутка [ — 1 , 1 ].

Убедиться в том, что производная от этой функции нигде внутри промежутка (— 1, 1 ) в нуль не обращается, и объяснить, почему

не выполняется теорема Ролля.

 

5 (самостоятельно). Функция / ( * ) = - /" (х—2)2 на концах

про­

межутка [0, 4] принимает равные значения: /( 0 ) = / ( 4 ) =

т/~4 .

Справедлива ли для этой функции теорема Ролля на промежут­ ке [0, 4]?

6 (самостоятельно). Выполнены ли условия теоремы Ролля для функции if(x) = tg х в промежутке [0, я]?

7 (самостоятельно). Дан отрезок параболы у — хг, заключенный между точками А (1; 1) и В (3; 9). Доказать, что на этом отрезке параболы существует точка, касательная в которой параллельна хорде /1 В, и найти эту точку.

Jim б ( а ) = б (а )= 0 ;
X•*о
вида
» ( а )

З А Н Я Т И Е 22

ПРИЛОЖЕНИЕ ПРОИЗВОДНОЙ К РАСКРЫТИЮ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТЕЙ, ПРАВИЛО ЛОПИТАЛЯ

Выведенная в предыдущем занятии формула Коши может быть использована для доказательства теоремы, которая дает простое и удобное правило для раскрытия неопределенностей. Хотя с раскры­ тием неопределенностей мы уже встречались, следует отметить, что раскрытие неопределенностей при помощи теорем теории пределов требует подчас большой изобретательности.

Покажем, как можно раскрывать неопределенности при помощи производных, и убедимся в том, что использование производной, как правило, значительно облегчает задачу.

§. 54. Правило Лопиталя

а) Неопределенность вида

К неопределенности

ношения двух функций пример, при л-—а).

Теорема. Пусть:

1 ) функции ф(д') и ф(д) в ее окрестности;

2) Ifm ® (а ) = ? (t?)= 0 ;

Л'—П

о приводит задача о пределе от­

и6 ( a ) , стремящихся к нулю (на­

определены и непрерывны в точке а и

3) существуют в указанной окрестности конечные производ­ ные ?' (а-) и 'У (а ), причем У (а ) Ф 0 (при д у а);

4) существует (конечный или бесконечный) предел

Пт ¥ (х) = К.

л* - а Г ( х )

Тогда и

П т

<?(•*)

= К.

д*—а

а )

 

Доказательство. Рассмотрим промежуток [а, х], где д — любая точка из окрестности точки а. В этом промежутке функции ср(д) и

182

•ф(х) удовлетворяют условиям теоремы Коши. Применяя ее, по­ лучим

ср (х)—у (а) _ ср' (с)

а<с<л\

'М *)-'М а ) “ f ( c ) ’

Но так как ф(а) = ф(а) =0. т0

?(-у) _ ф' (g) ф(л) 4- '(с)

Если теперь х устремить к а, то с, находясь между а и л, тоже устремится к а (рис. 88):

lim т-уДг =

Ит тгт^г =АГ (в СИЛУ условия 4),

л -й 4>(-*)

c-a ФЧс)

что и требовалось доказать.

На основании доказанной теоремы можно сформулировать

следующее правило

раскрытия неопределенности вида 0

:

Пр ави ло . При

 

разыскании пре-

 

 

дела частного Ч>(х) ,

в случае

неопре-

с

» ■»

0

 

 

заменить

 

 

деленности вида —гг , можно

Рис. 88.

 

и ,

пределом

 

предел отношения

функций

 

 

отношения их производных, если последний предел существует:

Нш ч ( х )

х-*-а п х )

Э то правило называется правилом Лопиталя *).

Если отношение

производных тоже приводит к неопределен­

ности вида

то

и к нему можно применять это же правило

и, таким образом, в некоторых случаях для раскрытия неопре­ деленности приходится правило Лопиталя применить несколько раз.

Замечание 1. При доказательстве теоремы мы (взяли промежуток [а, х], т. е. полагали х>а. Точно так же можно было брать проме­ жуток [х, а], т. е. х<а.

Замечание 2. Эта теорема распространяется и на случай, когда

х стремится к бесконечному пределу, т. е.

при а = ± со.

 

П р и м е р

 

 

/[I г\П_1

 

 

 

1. Найти lim -

--------- .Подставляя х=0, получаем

 

 

л--0

х

 

 

 

неопределенность

применим правило Лопиталя:

 

.. (1+х)л-1

 

[(1+х)«-1]'

.. л (1-М)*-1

lim -—1— ---------=lim

 

1— ---- — =lim ——у—;— =

n.

x-+0

X

дг-^О

X

x-Q

1

 

*) Лоллталь (1661—1704) — французский математик.

183

П р и м е р 2:

 

 

 

 

lim

X—sin X

£

= lim (X—Sin A-)7

==lim 1 —cos X

X-U

x s ~

0

Л--0

( x * y

.r-0

3x2

 

— lim ( 1 —cosxV

-lim

sin x

= lim

(sinx)7

 

л’-О

(3X2T ’

д-O

6x

.v-0

(6x)7

=Jim cosx J-*0 6

Здесь мы три раза применили правило Лопиталн.

6) Неопределенность вида

Пусть при х->а функции <э(х)-,-ао и ф(х)-*оо. Тогда предел

отношения -Т-ттс" при.х'-а представляет собой неопределенность

оо

V \х '

 

 

 

 

 

 

 

вида — .

 

 

 

 

 

 

 

Для раскрытия такой неопределенности тоже применяется

правило Лопиталя:

 

 

 

 

 

 

П р а в и л о ; При разыскании предела частного

в случае

неопределенности

ОО

 

 

 

 

 

 

вида --- можно заменить предел отношения

функций пределом отношения

их производных:

 

 

 

 

нп. Щ =

\ со

—lim ? '(* )

 

 

 

 

 

.г-* ,<Ь(X)

х-*а V (■*) ‘

 

 

Примем это правило без доказательства.

 

 

 

Замечание I.

Правило справедливо

и при <z= + co.

 

 

Прим е р’.

 

 

 

 

 

 

 

Нт

inx

= Ит (in х)'

Нт

1

= Нт- 1

=

0.

х

 

 

СО

 

 

 

 

 

 

СО

Хт

оо J-f-bCD (хт)7

+оо

пгхт - 1

.с-++аз т,х

 

 

 

т> О

 

 

 

 

 

 

 

Замечание 2,

При раскрытии неопределенности вида —

пра­

вило Лопиталя можно применять несколько раз подряд.

в) Другие виды неопределенностей

Приведенное выше правило Лопиталя можно

применять

только

в том случае, когда имеется

отношение двух

функций,

дающее

О

оо

 

неопределенность вида -д- или ~ .

 

184.

Если

же

имеем

неопределенность

другого вида,

например

О-со,

оо— оо и т. п., то прежде, чем применять правило Лопиталя,

эту

 

неопределенность

следует

привести

к

неопределенностям

 

 

О

 

ОО

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

вида -тг или — .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.

U

 

со

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пусть:

 

 

Нш «р ( х ) = 0 ,

П т /( л ') = оэ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тогда

 

 

 

л‘«>д

 

 

 

х —а

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Iim ? (л) •/ (х) = (0 •оо).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

х-*а

 

 

 

в дробь:

 

 

 

 

Обратим произведение <o{x)-f{x)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

/(■*)

 

 

 

 

 

при /(л:)->оо

обратная

величина

I

-> 0 :

 

 

 

 

f(x)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Jim

 

?,(•*)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

o r

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Х~*П

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f i x )

 

 

 

 

 

 

 

и теперь можно применять правило Лопиталя.

 

 

 

 

Превращая произведение в дробь, следует помнить, что обычно

лучше всего

более

сложный

множитель

оставлять

в

числителе,

а более

простой переводить в знаменатель.

 

 

 

 

Пример-.

 

 

 

 

 

 

 

Хг

I СО\

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

П т хг-е~х= (со -0) = Пш — — (— ) =

 

 

 

 

 

 

 

.V-*©

 

 

 

 

 

Л'-*-СО&

I

I

 

 

 

 

 

 

 

.. (х'2У

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= Нш -т-

)

= lim —-

00/

.1—00 )

 

 

 

 

 

 

.Г-^OD

 

.Г-*-СО

& '

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= Нш

=

0 .

 

 

 

 

 

 

2,

Пусть:

 

 

 

 

 

л'--- со Сл

 

 

 

 

 

 

 

 

lim»(j:) = -i-oo;

И ш /(х)=: + оо.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тогда

 

 

х-*а

 

 

 

 

л*-* а

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lim [fix)

— о (jc)] = (00 со).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Неопределенность

вида

оо —со можно

привести

к

неойреде-

■лепиости вида

0

следующим ооразом:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

1__

 

 

/

(*) -- * (*)

=

 

 

 

 

 

 

?(■*)

f i x )

 

 

1

 

 

1

 

 

1

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f i x )

 

<?(х)

 

f i x )

<?(х)

 

 

так

как

9(х)

 

О и

~дуу -*-0

при х-+а.

 

 

 

 

 

185

Пример-. limlctgA------г

 

( о о — о о )

= П ш ( -----------

 

 

,*-*о \

л

 

1

 

*-о\ *гд'

А*

 

 

'Л—tgA

т

 

(А- -

t g x ) '

 

 

= lmr— г-2

) = lim

(A tg X)'

 

 

.«■ -о

* tg

и

/

.гч-О

 

 

 

 

= Нш ______ COS2 А'

 

 

1

— 2 c o s

A-Sin А

=

0.

1%х+х -Щ?-х

 

 

 

1

COS-3 A Sin А

 

 

COS3 А

c o s

2а

 

3. В случае неопределенных

выражений

вида I00,

0°, оо°

ре­

комендуется эти выражения предварительно прологарифмиро­ вать. Пусть

у = [/( л - )Г д>,

где

/ ( а ) - * 1 ,

» ( Л ' ) - М » .

х-*-я

х -* а

.Логарифмируем данную функцию:

In у = »(А ) •1п/ ( а ). Пере­

ходим к пределу:

 

 

lim In y = lim [з (a ) - In/ (

а ) ] = ( о з -0 )

—неопределенность уже изученного типа.

Допустим, что найдено

 

 

lim In у —/<'.

 

х -*а

 

 

Символы lim и In можно менять местами:

In limy — К.

 

Следовательно,

 

 

limy = eA.

 

П р и м е р : lim Asin v = ? jcsin-1'^ -(0°);

y = AGinA; In у = sin a -In a ;

,v-0

,r-0

 

lim In y = lim sin a -In x =

(0 - oo) = iim - *n.x ■= (— W lim — —— —

л*-*-0

л*-*0

.v-*0 1

у ^ j

л'-*-0 COS JC

 

 

Sin A

 

Sin2A

= lim

— S i n 2 A

1

.V—0

A

C O S A

= lim —Sin A •lim tg a ==0; lim In у = In lim y = 0;

.V-bO A

A--vO

.Г—О

A--0

l i m y = < ? ° = l ;

l i m A s i n A — 1.

 

.v-0

JT->0

'

 

186

Практическое занятие № 22

Контрольные вопросы "

1. Сформулируйте правило Лопиталя для раскрытия неопределенности

вида -Q -.

2. Можно ли применять правило Лопиталя к раскрытию неопределенностей

ОО

вида——, 0 -со, оо— со, Iго, =оо? Если можно, то кик?

Примеры и задачи

Пользуясь правилом Лопиталя, найти предельные значения функций.

а) Неопределенность вида -(j-

1.

Вычислить

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Нт

у х

—у а

 

 

 

 

 

 

Л'-ьЛ V x -

1Га

 

 

если

в числитель

и знаменатель

 

подставить х=а. то полмчим

неопределенность

вида

О .

 

 

 

 

 

Применим правило Лопиталя:

 

 

 

о

 

3.—

3

 

 

 

 

 

 

 

{ f a - f a ) '

 

3"

 

У х — у а

= lim

= lim

 

 

lim “7

= — —7=г

 

 

 

1

 

х-*а у

X — у а

Х-+<1

{ У х

} / а ) '

 

 

 

 

—-С- Нш х

 

2

1

 

 

 

 

 

3

в.— •

 

 

 

 

 

О х -

а

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

У а

 

Напомним, что, применяя правило Лопиталя, следует брать про­

изводную не от дроби, а от числителя и знаменателя отдельно.

е.Г_|

2 (самостоятельно). Вычислить lim —— .

.г -о sln

Ответ: 1.

3. Вычислить

 

х —arctg х

 

 

 

lim

 

 

 

д--0

хг

 

 

При х = 0 имеем неопределенность

Применяем правило

Лопиталя:

 

 

 

 

lim х — arctg л~

=llm —arctg xY

1

1

\+xi

lim -

.v->0

•г-0

(х*У

л-^О

За:2

187

После подстановки .с—0 опятьполучаем неопределенность -jj- .

Следовательно,

правило Лопиталя

необходимо

применить еще

раз:

 

 

 

 

 

 

1 -

1

/,

I

У

2л-

1 + а2

 

 

 

 

 

lim

=lim

(3Х'У

 

д-0

6л

д-0

За'2

д-0

 

 

 

= Иш

+ а 2)2

3 •

 

 

 

,-.о 3 ( 1

 

Прежде чем подставить предельное значение х, нужно произвести возможные упрощения, в данном случае сократить на х.

4 (самостоятельно). Вычислить

 

 

 

 

lim

a — s i n л

 

 

 

 

 

 

A — tg A

 

 

 

 

 

 

д-0

 

 

Ответ :

 

 

 

 

 

 

5.

Найти

 

 

..

е * — \

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lim----------- г- .

 

 

 

 

 

 

д-0

cos х

—1

 

 

Подставляя

л = 0,

получаем

неопределенность вида - Q- .

Применяем

правило Лопиталя:

 

 

2а е Д3

 

-НтЛ...

-------;— = lim 7-------—

4im

 

д-0 COS А — 1

д—о

(COS X

—1 у

JC_,0

—Sin А

 

 

 

(а ехУ

п „ е*’+ 2 хг-е-'-7

 

= —2 Ьт ~

+ =

—2 lim ----- 1-------------= —2 .

 

 

,0 (sin а)

д- о

cos а

 

б

(самостоятельно).

Найти

 

 

 

 

 

 

 

 

naYX

 

 

 

 

 

 

 

l i m —

 

 

 

 

 

 

 

х-о

У sin Ьх

 

 

Ответ:

У b '

 

 

 

 

 

7.

 

 

 

 

 

 

Найти

 

 

 

 

 

 

 

ех

 

А

- А —1

 

ех— хл

А —1

Нт

 

 

 

 

-lim •

Т

 

д-0

COS А +

 

д-0

 

COS А + 4-У

 

 

 

 

неопределекиость онда О

=Иш---------:------;------- = lim -----;--- -7------:--- r^—

-a — 1

 

= ilm

 

 

л-,0

—sinA-|-A

.r- 0

(—siriA'-f-A')

.t^-o —cos A-f-1

 

неопределенность вида —

 

 

 

 

 

неопределенность

 

 

 

 

 

 

пила - i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(e-‘ —x 1 )

..

ex— 1

(j

(eA—l

ex

- 1

;И т ^ ---------- —-rrj = 11m —:------

—....lim —.,-----.rr =lim ---------

л--о(—COS ДГ+ ])'

.r->0

Sin X

.r-0

(sin a )

д-*П - COS X

 

 

псопрсделен*n

В этом примере нам пришлось применять правило Лопиталя четыре раза.

8 (самостоятельно). Найти пределы:

 

 

 

 

 

 

ечх—ех

;

«

Нт

 

- 1 - А п

 

 

 

 

а)

 

 

е

 

б)

 

 

 

 

 

 

 

11т .

 

 

 

л'-О

sin6 2л'

 

 

 

 

 

 

.«•-о

t g A —а

 

 

 

Ответ:

а)

 

1 ; б)

ps ■

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

б)

Неопределенность вида

 

9'.

Вычислить

 

 

,.

In sin 2а

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lim

 

— ;----- .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

х—0 In Sin А

 

 

 

При а = 0

имеем

неопределенность

вида

00

потому что

СО

 

 

 

 

 

In0 = — со

 

(In 0 = lim In х).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ДГч-0

 

 

К раскрытию

этой

неопределенности правило Лопиталя приме-

няется так же, как и к раскрытию

неопределенности вида 0 :

 

 

1

• л

 

 

,, ,

 

п

 

—— —-2 -cos2а

 

 

In sin

2а

 

(In sin

2а )

 

sin

2а

 

 

lim—;—

;------ =lim- 7-— ;----r. = lim -------------------------- —

 

r-0

InSinA

.v_o (1П Sin A)

 

 

1

 

 

 

 

со

 

 

 

 

 

 

 

 

•COS JC

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin X

 

 

неопределенность

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

вяла ----

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= 2 В

т - ^

=

2 П ш Д У и .2 Нш. « g j a l - 2 1 lm, i ° g £ .

.v *■ 0

ctg X

 

 

Д--.0

tg 2a

 

.r-o

(tg2x)'

.r-0

cos2 2 а

неопределенность

неопределенность

 

 

 

 

 

 

 

oo

 

 

 

.вида

О

 

 

 

 

 

 

 

виде -—

 

 

 

-

 

 

 

 

 

 

 

 

со

 

 

 

 

О

 

 

 

 

 

 

189

10 (самостоятельно). Вычислить пределы:

 

 

 

а)

Нш

In X

 

б)

llm

tg Зх

*)

iim

ex

 

,1'-П

In sin х

 

 

 

tg 5x

.r-1-CO

x

О тве т :

a)

1;

б)

-у-;

в) -j-co.

 

 

 

 

в)

Неопределенности вида

со—а- и 0 •со

Правило .

Чтобы

раскрыть

 

неопределенность

вида со — сс

 

 

 

 

 

 

 

 

 

со

о

 

или 0

-оо, ее следует привести к виду -у - или - у .

 

11.

Найти Иш

(-г ------------ У~У При х -cl-rfl

(т. е. справа)

 

 

.г—1+0

\ In X

 

X

1

/

 

 

 

— ------+СО. и

— —г

- — or

(х —1 > 0,

если

х —•>1

справа, от

1п х

 

 

х 1

 

 

 

 

 

 

 

 

больших значений). Значит, имеем разность двух бесконечно больших величин, т. е. неопределенность вида со — ос. Преоб­ разуем эту разность в дробь:

 

..

/

I

 

1

\

=

lim

х — 1 —In л*

 

Urn

 

-г--------------------г

)

 

;-------г г - =

.r-i+o\

In л-

х —1

л_ 1+0

In Х ‘ ( Х — 1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

неопределенность вида

=

,

 

(х—1 1пх)

 

lim

 

X

lim

 

П------ 7----- rtv

 

 

 

.г-*1+0

[In х - ( х - 1 )

'

 

.f-1-1+0

 

-f- In X

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

неопределенность пода T

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

--lim

 

 

x — 1

 

]jm

 

( x - 1 )'

 

X — 1 j - X

In X

 

Д--.1+0 ( X — 1 -{-x In x )/

.г-1+0

 

 

 

 

 

=

lim

———-----—:—

— ~cr-

 

 

 

 

д-_,1+о l-(-lnx-f-l

 

2

12 (самостоятельно). Вычислить:

 

 

“ > Й ( н Г Г “ ' Е т ) : 5)

 

 

О тве т : а) 1 ;

б) 0.

 

 

 

 

 

13. Вычислить limx-lnx.

 

 

 

 

 

 

 

-*+0

 

 

 

 

 

 

При хнь-j-O функция

Inх —величина

бесконечно большая, а

х — бесконечно

малая. Поэтому

имеем

неопределенность вида

190

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ