微积分的本质(七):导数和极限的定义、洛必达法则

1.导数的正式定义
t t t 的位置对函数 f ( x ) f(x) f(x) 求导:
d f d x ( t ) = lim ⁡ h → 0 f ( t + h ) − f ( t ) h \frac{df}{dx}(t)=\displaystyle{\lim_{h \to 0}}\frac{f(t+h)-f(t)}{h} dxdf(t)=h0limhf(t+h)f(t)

h h h 其实等价于 d x dx dx d x dx dx用来表示函数 f f f取值的具体有限小的变化量。

讨论极限,讨论的是变量逼近于0时的影响,而不是无穷小的变化量的影响。

2.极限的 ( ϵ , δ ) (\epsilon,\delta) (ϵ,δ)定义
函数 f ( h ) = ( 2 + h ) 3 − 2 3 h f(h)=\frac{(2+h)^3-2^3}{h} f(h)=h(2+h)323的图像如下:
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对于函数 f ( h ) = ( 2 + h ) 3 − 2 3 h f(h)=\frac{(2+h)^3-2^3}{h} f(h)=h(2+h)323,当h=0的时候,函数值变成 0 0 \frac{0}{0} 00,在这个点并没有明确的值,我们用一个空心圆来表示这个间断点。但当 h h h无限接近0的时候,函数仍然有意义,函数值逼近于12,而这个结果,和函数从哪一边逼近无关。

逼近的定义:对于x=0附近的一些取值,当取值范围在0附近不断缩小时,函数范围越来越接近12
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极限存在:总能在极限点附近,离这一点距离为 δ \delta δ的取值范围内,找到一系列取值点,使得这范围内的任一个取值点,其函数值都在到某个值的距离为 ϵ \epsilon ϵ的范围之内。这种情况,对任意 ϵ \epsilon ϵ都成立。无论 ϵ \epsilon ϵ多么小,总能找到与之对应的 δ \delta δ值。

下图是一个极限不存在的一个例子:找到一个足够小的 ϵ \epsilon ϵ,例如0.04,无论 δ \delta δ多么小,对应的函数值,都不能完全位于两个 ϵ \epsilon ϵ构成的区间内,找不到任何可以逼近的极限值,所以极限不存在。
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3.洛必达法则
引例:
如何求 lim ⁡ x → 1 sin ⁡ ( π x ) x 2 − 1 \displaystyle{\lim_{x \to 1}}\frac{\sin(\pi{x})}{x^2-1} x1limx21sin(πx)
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直接把1代入函数,分子和分母都是0,无法直接获得函数逼近 x = 1 x=1 x=1的结果。

下面分别给出分子 sin ⁡ ( π x ) \sin(\pi{x}) sin(πx) 和分母 x 2 − 1 x^2-1 x21 的函数图像
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x = 1 x=1 x=1时,两个函数的值都为 0 0 0,都穿过 x x x轴。考虑微小变化量 d x dx dx对函数的影响。

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x = 1 x=1 x=1时, sin ⁡ ( π x ) \sin(\pi x) sin(πx)函数值的变化量为
d ( sin ⁡ ( π x ) ) = cos ⁡ ( π x ) π d x = − π d x d(\sin(\pi x))=\cos(\pi x) \pi dx=-\pi dx d(sin(πx))=cos(πx)πdx=πdx

同理得
d ( x 2 − 1 ) = 2 x d x = 2 d x d(x^2-1)=2xdx=2dx d(x21)=2xdx=2dx
则有
lim ⁡ x → 1 sin ⁡ ( π x ) x 2 − 1 = − π d x 2 d x = − π 2 \displaystyle{\lim_{x \to 1}}\frac{\sin(\pi{x})}{x^2-1}=\frac{-\pi dx}{2dx}=\frac{-\pi}{2} x1limx21sin(πx)=2dxπdx=2π
所以当 x x x逼近于1时,这个极限的精确值为 − π 2 \frac{-\pi}{2} 2π

一般地,考虑任意两个函数 f ( x ) f(x) f(x) g ( x ) g(x) g(x),它们在 x = a x=a x=a处可导,且 g ( a ) = f ( a ) = 0 g(a)=f(a)=0 g(a)=f(a)=0 ,如何计算 lim ⁡ x → a f ( x ) g ( x ) \displaystyle{\lim_{x \to a}}\frac{f(x)}{g(x)} xalimg(x)f(x)的值?
因为 g ( a ) = f ( a ) = 0 g(a)=f(a)=0 g(a)=f(a)=0 ,所以并不能直接计算 f ( a ) g ( a ) \frac{f(a)}{g(a)} g(a)f(a)的值。因此,我们要求 x x x逼近于 a a a时的极限值。
两个函数在 x = a x=a x=a处都可导,意味着在无限放大之后,他们可以被看作是直线。如下图:
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考虑一个到 x = a x=a x=a的距离为 d x dx dx的点,对函数 f ( x ) f(x) f(x),该点的函数值,非常接近该点的导数值和 d x dx dx的乘积,即 d f d x ( a ) d x \frac{df}{dx}(a)dx dxdf(a)dx.
同理,对函数 g ( x ) g(x) g(x),这个值大约是 d g d x ( a ) d x \frac{dg}{dx}(a)dx dxdg(a)dx.

d x dx dx越小的时候, d f d x ( a ) d x \frac{df}{dx}(a)dx dxdf(a)dx d g d x ( a ) d x \frac{dg}{dx}(a)dx dxdg(a)dx就越接近 x = a x=a x=a的函数值,甚至可以等同于极限的精确值,则有
lim ⁡ x → a f ( x ) g ( x ) = d f d x ( a ) d x d g d x ( a ) d x = d f d x ( a ) d g d x ( a ) \displaystyle{\lim_{x \to a}}\frac{f(x)}{g(x)}=\frac{\frac{df}{dx}(a)dx}{\frac{dg}{dx}(a)dx}=\frac{\frac{df}{dx}(a)}{\frac{dg}{dx}(a)} xalimg(x)f(x)=dxdg(a)dxdxdf(a)dx=dxdg(a)dxdf(a)
当要计算 0 0 \frac{0}{0} 00型函数的极限的时候,可以使用这个技巧,对分子分母分别求导,并代入极限点的取值。
这一技巧就叫做洛必达法则

回顾一开始对导数的定义:
d f d x ( x ) = lim ⁡ h → 0 f ( x + h ) − f ( x ) h \frac{df}{dx}(\textcolor{red}x)=\displaystyle{\lim_{h \to 0}}\frac{f(\textcolor{red}x+h)-f(\textcolor{red}x)}{h} dxdf(x)=h0limhf(x+h)f(x)
本质上就是计算 0 0 \frac{0}{0} 00型函数的极限,那是不是就可以使用洛必达法则暴力求解了呢?很遗憾,如果不知道分子的导数,则无法使用洛必达法则。因此,洛必达法则的一个应用前提就是——分子分母都可导。

参考资料: 【官方双语】微积分的本质 - 07 - 极限.

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