洛必达法则和反常积分

1. 洛必达法则

L' Hospital's Rule: 洛必达法则:

\lim _{x \rightarrow a} \frac{f(x)}{g(x)} = \lim _{x \rightarrow a} \frac{f'(x)}{g'(x)}

它主要处理0除以0不定式或无穷除以无穷不定式:

\frac{0}{0} \quad \text{or} \quad \frac{\infty}{\infty} \quad \text{indeterminate form}

它提供了计算不定式极限的技巧,包括一些新型的极限,例如:

\begin{cases} x \ln x & \text{ when } x \rightarrow 0^+ \\ x e^{-x} & \text{ when } x \rightarrow \infty \\ x^x & \text{ when } x \rightarrow 0^ \end{cases}

证明:

假设

\lim _{x \rightarrow a} \frac{f(x)}{g(x)}

无法直接处理,即:

\text{f(a) = g(a) = 0}

那么,计算极限的技巧为:

\begin{align*} \lim _{x \rightarrow a} \frac{f(x)}{g(x)} &= \lim _{x \rightarrow a} \frac{f(x) / (x-a)}{g(x) / (x-a)} \\ &= \frac{ \lim _{x \rightarrow a} \frac{f(x)-f(a)}{x-a}}{\lim _{x \rightarrow a} \frac{g(x)-g(a)}{x-a}} \quad \text{because f(a)=g(a)=0} \\ &= \frac{f'(a)}{g'(a)} \end{align*}

例子:

新型极限的处理,需要先将它转换为不定式:

\lim _{x \rightarrow 0^+} x \ln x = \lim _{x \rightarrow 0^+} \frac{\ln x}{\frac{1}{x}} = 0

\begin{align*} \lim _{x \rightarrow \infty} x e^{-Px} &= \lim _{x \rightarrow \infty} \frac{e^{-Px}}{\frac{1}{x}} =\lim _{x \rightarrow \infty} \frac{-P e^{-Px}}{\frac{-1}{x^2}} \qquad \text{error} \\ &= \lim _{x \rightarrow \infty} \frac{x}{e^{Px}} \\ &= \lim _{x \rightarrow \infty} \frac{1}{P e^{Px}} = \frac{1}{\infty} \\ &= 0 \end{align*}

\lim _{x \rightarrow 0} x^x = \lim _{x \rightarrow 0} e^{x \ln x} = e^{\lim _{x \rightarrow 0} x \ln x} = 1

一些表达式增长速度的比较:

\ln x << x^P<<e^x<<e^{x^2}

2. 反常积分

Improper Integrals: 

\int _a ^{\infty} f(x) dx = \lim _{N \rightarrow \infty} \int _a ^N f(x) dx

正常积分:积分上限N是固定的

反常积分:积分上限N趋于无穷

收敛(converge):如果极限存在,就称反常积分收敛,否则称反常积分发散(diverge)

例1:

\begin{align*} \int _0 ^{\infty} e^{-kx} dx &= \lim _{N \rightarrow \infty} \int _0 ^N e^{-kx} dx \\ &= \lim _{N \rightarrow \infty} (- \frac{1}{k} e^{-kx} | _0 ^N) \\ &= \frac{1}{k} \end{align*}

因此,该反常积分收敛

例2:

\int _{-\infty} ^{\infty} e^{-x^2} dx = \sqrt{\pi}

洛必达法则和反常积分_第1张图片

例3:

\int _1 ^{\infty} \frac{dx}{x} = \ln x | _1 ^{\infty} = \infty

\int _1 ^{\infty} \frac{dx}{x^P} = \frac{x^{-P+1}}{-P+1} | _1 ^{\infty} = \frac{\infty ^{-P+1}}{-P+1} - \frac{1}{-P+1}

当 0 1 时,上式等于 -1/(-P+1),不定积分收敛

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