其实这个问题非常简单,就一句话:如果一个极限能够最终转化为 0 0 , ∞ ∞ \frac{0}{0},\frac{\infty}{\infty} 00,∞∞时,那么就可以使用洛必达法则进行计算。
注意:这里只是说可以,也就是说它只是充分条件!!!
具体有哪些它不能使用的情况呢?
lim x → 3 2 x + 7 4 x + 1 = lim x → 3 d d x ( 2 x + 7 ) d d x ( 4 x + 1 ) = lim x → 3 2 4 = 1 2 \begin{aligned} \lim_{x\to 3}\frac{2x + 7}{4x+1} & = \lim_{x\to 3}\frac{\color{blue}{\frac d {dx}(2x + 7)}}{\color{red}{\frac d {dx}(4x+1)}} = \lim_{x\to 3}\frac{\color{blue} 2}{\color{red} 4} = \frac 1 2 \end{aligned} x→3lim4x+12x+7=x→3limdxd(4x+1)dxd(2x+7)=x→3lim42=21
原因:本例不是不定型。
正解:
lim x → 3 2 x + 7 4 x + 1 = 2 ( 3 ) + 7 4 ( 3 ) + 1 = 13 13 = 1 \lim_{\color{blue}{x\to3}} \frac{2x + 7}{4x+1} = \frac{2\color{blue}{(3)}+7}{4\color{blue}{(3)}+1} = \frac{13}{13} = 1 x→3lim4x+12x+7=4(3)+12(3)+7=1313=1
lim x → 0 + ln x ⋅ sin x = lim x → 0 + d d x ( ln x ) ⋅ d d x ( sin x ) = lim x → 0 + 1 x ⋅ cos x = lim x → 0 + cos x x = cos 0 0 = 1 0 = ∞ \begin{aligned} \lim_{x\to0^+} \ln x\cdot \sin x & = \lim_{x\to0^+} \color{blue}{\frac d {dx}\left(\ln x\right)}\cdot \color{red}{\frac d {dx}\left(\sin x\right)}\\[6pt] & = \lim_{x\to0^+} \color{blue}{\frac 1 x}\cdot \color{red}{\cos x}\\[6pt] & = \lim_{x\to0^+} \frac{\cos x} x\\[6pt] & = \frac{\cos 0} 0\\[6pt] & = \frac 1 0\\[6pt] & = \infty \end{aligned} x→0+limlnx⋅sinx=x→0+limdxd(lnx)⋅dxd(sinx)=x→0+limx1⋅cosx=x→0+limxcosx=0cos0=01=∞
原极限没有化为标准的: 0 0 , ∞ ∞ \frac{0}{0},\frac{\infty}{\infty} 00,∞∞
正解:
lim x → 0 + ln x ⋅ sin x = lim x → 0 + ln x csc x = lim x → 0 + ( ln x ) ′ ( csc x ) ′ = lim x → 0 + 1 x − cot x ⋅ csc x = lim x → 0 + 1 x − 1 tan x ⋅ csc x ( csc x → + ∞ ) = lim x → 0 + − tan x x ⋅ 1 csc x = 0 \begin{aligned} \lim_{x\to0^+} \ln x\cdot \sin x & = \lim_{x\to0^+}\frac{\ln x}{\color{blue}\csc x}\\ & = \lim_{x\to0^+}\frac{(\ln x)\prime}{\color{blue}(\csc x)^\prime}\\ & = \lim_{x\to0^+}\frac{{1\over x}}{\color{blue}-\cot x \cdot\csc x}\\ & = \lim_{x\to0^+}\frac{{1\over x}}{\color{blue}-{1\over \tan x} \cdot\csc x}\quad \color{purple}{(\csc x\rightarrow +\infty)}\\ & = \lim_{x\to0^+}-\frac{\color{blue}\tan x}{x}\cdot\frac{1}{\color{purple}{\csc x} }\\ & = 0 \end{aligned} x→0+limlnx⋅sinx=x→0+limcscxlnx=x→0+lim(cscx)′(lnx)′=x→0+lim−cotx⋅cscxx1=x→0+lim−tanx1⋅cscxx1(cscx→+∞)=x→0+lim−xtanx⋅cscx1=0
lim x → 0 + ln x 1 / x = lim x → 0 + d d x ( ln x ) d d x ( 1 / x ) 洛 一 次 = lim x → 0 + 1 / x − 1 / x 2 = ∞ − ∞ = lim x → 0 + d d x ( 1 / x ) d d x ( − 1 / x 2 ) 洛 二 次 = lim x → 0 + − 1 / x 2 2 / x 3 = − ∞ ∞ = lim x → 0 + d d x ( − 1 / x 2 ) d d x ( 2 / x 3 ) 洛 三 次 = lim x → 0 + 2 / x 3 − 6 / x 4 = ∞ − ∞ \begin{aligned} \lim_{x\to0^+} \frac{\ln x}{1/x} & = \lim_{x\to0^+} \frac{\color{blue}{\frac d {dx}\left(\ln x\right)}}{\color{red}{\frac d {dx}\left(1/x\right)}} && {洛一次}\\ & = \lim_{x\to0^+} \frac{1/x}{-1/x^2} = \frac \infty {-\infty}\\[6pt] & = \lim_{x\to0^+} \frac{\color{blue}{\frac d {dx}\left(1/x\right)}}{\color{red}{\frac d {dx}\left(-1/x^2\right)}} && {洛二次}\\ & = \lim_{x\to0^+} \frac{-1/x^2}{2/x^3} = \frac {-\infty} \infty\\[6pt] & = \lim_{x\to0^+} \frac{\color{blue}{\frac d {dx}\left(-1/x^2\right)}}{\color{red}{\frac d {dx}\left(2/x^3\right)}} && {洛三次}\\ & = \lim_{x\to0^+} \frac{2/x^3}{-6/x^4} = \frac \infty {-\infty} \end{aligned} x→0+lim1/xlnx=x→0+limdxd(1/x)dxd(lnx)=x→0+lim−1/x21/x=−∞∞=x→0+limdxd(−1/x2)dxd(1/x)=x→0+lim2/x3−1/x2=∞−∞=x→0+limdxd(2/x3)dxd(−1/x2)=x→0+lim−6/x42/x3=−∞∞洛一次洛二次洛三次
可以玩一天,但就是得不到正确结果。
一切无法降次反升的方法都是耍流氓!!!!
正解:
先洛一次:
lim x → 0 + ln x 1 / x = lim x → 0 + d d x ( ln x ) d d x ( 1 / x ) = lim x → 0 + 1 / x − 1 / x 2 \begin{aligned} \lim_{x\to0^+} \frac{\ln x}{1/x} & = \lim_{x\to0^+} \frac{\color{blue}{\frac d {dx}\left(\ln x\right)}}{\color{red}{\frac d {dx}\left(1/x\right)}} = \lim_{x\to0^+} \frac{1/x}{-1/x^2} \end{aligned} x→0+lim1/xlnx=x→0+limdxd(1/x)dxd(lnx)=x→0+lim−1/x21/x
洛完赶紧调整,再洛一次:
lim x → 0 + 1 / x − 1 / x 2 = lim x → 0 + 1 x ⋅ ( x 2 − 1 ) = lim x → 0 + − x 2 x = lim x → 0 + − x = 0 \begin{aligned} \lim_{x\to0^+} \frac{1/x}{-1/x^2} & = \lim_{x\to0^+} \frac 1 x\cdot \left(\frac{x^2}{-1}\right) = \lim_{x\to0^+} -\frac{x^2} x = \lim_{x\to0^+} -x = 0 \end{aligned} x→0+lim−1/x21/x=x→0+limx1⋅(−1x2)=x→0+lim−xx2=x→0+lim−x=0
lim x → ∞ 4 x 2 + 3 x + 3 = lim x → ∞ ( 4 x 2 + 3 ) 1 / 2 x + 3 = lim x → ∞ d d x ( 4 x 2 + 3 ) 1 / 2 d d x ( x + 3 ) 洛 必 达 法 则 = lim x → ∞ 1 2 ( 4 x 2 + 3 ) − 1 / 2 ⋅ 8 x 1 = lim x → ∞ 4 x ( 4 x 2 + 3 ) 1 / 2 化 简 整 理 = ∞ ∞ \begin{aligned} \lim_{x\to\infty} \frac{\sqrt{4x^2+3}}{x+3} & = \lim_{x\to\infty} \frac{(4x^2+3)^{1/2}}{x+3} && \\ & = \lim_{x\to\infty} \frac{\color{blue}{\frac d {dx}(4x^2+3)^{1/2}}}{\color{red}{\frac d {dx}(x+3)}} &&{洛必达法则}\\[6pt] & = \lim_{x\to\infty} \frac{\frac 1 2(4x^2+3)^{-1/2}\cdot 8x}{1}\\[6pt] & = \lim_{x\to\infty} \frac{4x}{(4x^2+3)^{1/2}} &&{化简整理}\\[6pt] & = \frac \infty \infty \end{aligned} x→∞limx+34x2+3=x→∞limx+3(4x2+3)1/2=x→∞limdxd(x+3)dxd(4x2+3)1/2=x→∞lim121(4x2+3)−1/2⋅8x=x→∞lim(4x2+3)1/24x=∞∞洛必达法则化简整理
倒过来还是被虐:
lim x → ∞ 4 x ( 4 x 2 + 3 ) 1 / 2 = lim x → ∞ d d x ( 4 x ) d d x ( 4 x 2 + 3 ) 1 / 2 洛 必 达 法 则 = lim x → ∞ 4 1 2 ( 4 x 2 + 3 ) − 1 / 2 ⋅ 8 x = lim x → ∞ ( 4 x 2 + 3 ) 1 / 2 x 化 简 整 理 = ∞ ∞ \begin{aligned} \lim_{x\to\infty} \frac{4x}{(4x^2+3)^{1/2}} & = \lim_{x\to\infty} \frac{\color{blue}{\frac d {dx}(4x)}}{\color{red}{\frac d {dx}(4x^2+3)^{1/2}}} && {洛必达法则}\\[6pt] & = \lim_{x\to\infty} \frac{4}{\frac 1 2(4x^2+3)^{-1/2}\cdot 8x}\\[6pt] & = \lim_{x\to\infty} \frac{(4x^2+3)^{1/2}}{x} &&{化简整理}\\[6pt] & = \frac \infty \infty \end{aligned} x→∞lim(4x2+3)1/24x=x→∞limdxd(4x2+3)1/2dxd(4x)=x→∞lim21(4x2+3)−1/2⋅8x4=x→∞limx(4x2+3)1/2=∞∞洛必达法则化简整理
注意:这种是典型的死循环型。一般来说只要长这样都要小心: f ( x ) = 二 次 函 数 线 性 函 数 . f(x) = \color{red}\frac{\sqrt{二次函数}}{线性函数}. f(x)=线性函数二次函数.
正解:
提出公因式,将所有 x x x都转换成 1 x {1 \over x} x1
lim x → ∞ 4 x 2 + 3 x + 3 = lim x → ∞ x 2 ( 4 + 3 x 2 ) x + 3 = lim x → ∞ x 2 ⋅ 4 + 3 x 2 x + 3 = lim x → ∞ ∣ x ∣ ⋅ 4 + 3 x 2 x + 3 \begin{aligned}% \lim_{x\to\infty} \frac{\sqrt{4x^2+3}}{x+3} & = \lim_{x\to\infty} \frac{\sqrt{x^2\left(4+\frac 3 {x^2}\right)}}{x+3}= \lim_{x\to\infty} \frac{\sqrt{x^2}\cdot\sqrt{4+\frac 3 {x^2}}}{x+3} = \lim_{x\to\infty} \frac{|x|\cdot\sqrt{4+\frac 3 {x^2}}}{x+3} \end{aligned} x→∞limx+34x2+3=x→∞limx+3x2(4+x23)=x→∞limx+3x2⋅4+x23=x→∞limx+3∣x∣⋅4+x23
注意这里分子上是 ∣ x ∣ |x| ∣x∣,因此只需要考虑 x → ∞ x\rightarrow \infty x→∞:
lim x → ∞ x ⋅ 4 + 3 x 2 x + 3 = lim x → ∞ x ⋅ 4 + 3 x 2 x ( 1 + 3 x ) = lim x → ∞ 4 + 3 x 2 1 + 3 x \displaystyle\lim_{x\to\infty} \frac{x\cdot\sqrt{4+\frac 3 {x^2}}}{x+3} = \lim_{x\to\infty} \frac{x\cdot\sqrt{4+\frac 3 {x^2}}}{x\left(1+\frac 3 x\right)} = \lim_{x\to\infty} \frac{\sqrt{4+\frac 3 {x^2}}}{1+\frac 3 x} x→∞limx+3x⋅4+x23=x→∞limx(1+x3)x⋅4+x23=x→∞lim1+x34+x23
代入数值得到:
lim x → ∞ 4 + 3 x 2 1 + 3 x = 4 + 0 1 + 0 = 4 1 = 2 \displaystyle\lim_{x\to\infty} \frac{\sqrt{4+\frac 3 {x^2}}}{1+\frac 3 x} = \frac{\sqrt{4+0}}{1+0} = \frac{\sqrt 4} 1 = 2 x→∞lim1+x34+x23=1+04+0=14=2
lim x → ∞ e x − e − x e x + e − x = ∞ − 0 ∞ + 0 = ∞ ∞ \begin{aligned} \lim_{x\to\infty} \frac{e^x - e^{-x}}{e^x + e^{-x}} & = \frac{\infty - 0}{\infty + 0} = \frac \infty \infty \end{aligned} x→∞limex+e−xex−e−x=∞+0∞−0=∞∞
lim x → ∞ e x − e − x e x + e − x = lim x → ∞ d d x ( e x − e − x ) d d x ( e x + e − x ) = lim x → ∞ e x + e − x e x − e − x = ∞ ∞ \begin{aligned} \lim_{x\to\infty} \frac{e^x - e^{-x}}{e^x + e^{-x}} & = \lim_{x\to\infty} \frac{\color{blue}{\frac d {dx}\left(e^x - e^{-x}\right)}}{\color{red}{\frac d {dx}\left(e^x + e^{-x}\right)}} = \lim_{x\to\infty} \frac{e^x + e^{-x}}{e^x - e^{-x}} = \frac \infty \infty \end{aligned} x→∞limex+e−xex−e−x=x→∞limdxd(ex+e−x)dxd(ex−e−x)=x→∞limex−e−xex+e−x=∞∞
正解:
lim x → ∞ e x − e − x e x + e − x = lim x → ∞ ( e x − e − x ) ( e x + e − x ) ⋅ e − x e − x = lim x → ∞ 1 − e − 2 x 1 + e − 2 x = 1 − 0 1 + 0 = 1 \begin{aligned} \lim_{x\to\infty} \frac{e^x - e^{-x}}{e^x + e^{-x}} & = \lim_{x\to\infty} \frac{\left(e^x - e^{-x}\right)}{\left(e^x + e^{-x}\right)} \cdot \frac{e^{-x}}{e^{-x}} = \lim_{x\to\infty} \frac{1 - e^{-2x}}{1 + e^{-2x}} = \frac{1 - 0}{1+ 0} = 1 \end{aligned} x→∞limex+e−xex−e−x=x→∞lim(ex+e−x)(ex−e−x)⋅e−xe−x=x→∞lim1+e−2x1−e−2x=1+01−0=1
lim x → ∞ ∫ 0 x sin t d t x = sin t = ? ? ? ? ? ? ? ? \lim_{x\rightarrow\infty} \frac{\int_0^{x}\sin tdt}{x}=\sin t =???????? x→∞limx∫0xsintdt=sint=????????
虽然满足标准不定型,但洛后的极限本身不存在!
正解:
由于分子一定有界:
− 1 ≤ ∫ 0 x sin t d t ≤ 1 -1\le\int_0^{x}\sin tdt\le1 −1≤∫0xsintdt≤1
因此原极限本质是有界量乘以无穷小,因此:
lim x → ∞ ∫ 0 x sin t d t x = 0 \lim_{x\rightarrow\infty} \frac{\int_0^{x}\sin tdt}{x}=0 x→∞limx∫0xsintdt=0
lim x → ∞ ∫ 0 x ∣ sin t ∣ d t x = ∣ sin t ∣ = ? ? ? ? ? ? ? ? \lim_{x\rightarrow\infty} \frac{\int_0^{x}|\sin t|dt}{x}=|\sin t| =???????? x→∞limx∫0x∣sint∣dt=∣sint∣=????????
原因和上面一样。
正解: 这题比较麻烦,要分好几步来证明,最简单的方法是用夹逼准则:
注意到
∫ 0 π ∣ sin t ∣ d t = 2 \int_0^{\pi}|\sin t|dt=2 ∫0π∣sint∣dt=2
因此:
∫ 0 n π ∣ sin t ∣ d t = 2 n (1) \int_0^{n\pi}|\sin t|dt=2n \tag{1} ∫0nπ∣sint∣dt=2n(1)
这一点从图象上也很容易看出来,当然也可以由 sin x \sin x sinx 的周期为 π \pi π 来简单证明。
首先,在任意周期内
∫ n π ( n + 1 ) π ∣ sin t ∣ d t = 2 \int_{n\pi}^{(n+1)\pi}|\sin t|dt=2 ∫nπ(n+1)π∣sint∣dt=2
那么显然:
∫ 0 n π ∣ sin t ∣ d t = ∑ k = 1 n ∫ ( k − 1 ) π k π ∣ sin t ∣ d t = ∑ k = 1 n 1 = 2 n \int_0^{n\pi}|\sin t|dt=\sum_{k=1}^{n}\int_{(k-1)\pi}^{k\pi}|\sin t|dt=\sum_{k=1}^{n} 1=2n ∫0nπ∣sint∣dt=∑k=1n∫(k−1)πkπ∣sint∣dt=∑k=1n1=2n
注意一个事实: x x x 一定可以放在一个长度为 π \pi π 的区间内,那么一定存在一个 n n n,使得
n π ≤ x ≤ ( n + 1 ) π (2) n\pi\le x \le (n+1)\pi \tag{2} nπ≤x≤(n+1)π(2)
那么一定有:
∫ 0 n π ∣ sin t ∣ d t ( n + 1 ) π ≤ ∫ 0 n π ∣ sin t ∣ d t x ≤ ∫ 0 n π ∣ sin t ∣ d t n π \frac{\int_0^{n\pi}|\sin t|dt}{(n+1)\pi} \le \frac{\int_0^{n\pi}|\sin t|dt}{x}\le \frac{\int_0^{n\pi}|\sin t|dt}{n\pi} (n+1)π∫0nπ∣sint∣dt≤x∫0nπ∣sint∣dt≤nπ∫0nπ∣sint∣dt
再回顾结论(1)式,不难得到:
2 n ( n + 1 ) π ≤ ∫ 0 n π ∣ sin t ∣ d t x ≤ 2 n n π \frac{2n}{(n+1)\pi} \le \frac{\int_0^{n\pi}|\sin t|dt}{x}\le \frac{2n}{n\pi} (n+1)π2n≤x∫0nπ∣sint∣dt≤nπ2n
显然:
lim x → ∞ 2 n ( n + 1 ) π = lim x → ∞ 2 n n π = 2 π \lim_{x\rightarrow\infty}\frac{2n}{(n+1)\pi}=\lim_{x\rightarrow\infty}\frac{2n}{n\pi}=\frac{2}{\pi} x→∞lim(n+1)π2n=x→∞limnπ2n=π2
由夹逼准则:
lim x → ∞ ∫ 0 n π ∣ sin t ∣ d t x ≤ lim x → ∞ ∫ 0 n π ∣ sin t ∣ d t x ≤ lim x → ∞ ∫ 0 ( n + 1 ) π ∣ sin t ∣ d t x \lim_{x\rightarrow\infty}\frac{\int_0^{n\pi}|\sin t|dt }{x} \le \lim_{x\rightarrow\infty}\frac{\int_0^{n\pi}|\sin t|dt}{x} \le \lim_{x\rightarrow\infty}\frac{\int_0^{(n+1)\pi}|\sin t|dt}{x} x→∞limx∫0nπ∣sint∣dt≤x→∞limx∫0nπ∣sint∣dt≤x→∞limx∫0(n+1)π∣sint∣dt
注意:由于有关系式(2),当 x → ∞ x\rightarrow\infty x→∞时一定有 n → ∞ n\rightarrow \infty n→∞
于是这个重要的结论就得到了:
lim x → ∞ ∫ 0 n π ∣ sin t ∣ d t x = 2 π (3) \lim_{x\rightarrow\infty}\frac{\int_0^{{\color{Red} n\pi} }|\sin t|dt}{x}=\frac{2}{\pi} \tag{3} x→∞limx∫0nπ∣sint∣dt=π2(3)
注意此时上限是 n π n\pi nπ
同时还需要另外一个结论,可以同理得到:
lim x → ∞ ∫ 0 ( n + 1 ) π ∣ sin t ∣ d t x = 2 π (4) \lim_{x\rightarrow\infty}\frac{\int_0^{{\color{Red} (n+1)\pi} }|\sin t|dt}{x}=\frac{2}{\pi} \tag{4} x→∞limx∫0(n+1)π∣sint∣dt=π2(4)
这步很简单,可以自行练习一下。
再次使用不等关系(2),于是原变限积分满足不等关系:
∫ 0 n π ∣ sin t ∣ d t ≤ ∫ 0 x ∣ sin t ∣ d t ≤ ∫ 0 ( n + 1 ) π ∣ sin t ∣ d t \int_0^{n\pi}|\sin t|dt \le \int_0^{x}|\sin t|dt \le \int_0^{(n+1)\pi}|\sin t|dt ∫0nπ∣sint∣dt≤∫0x∣sint∣dt≤∫0(n+1)π∣sint∣dt
于是:
lim x → ∞ ∫ 0 n π ∣ sin t ∣ d t x ≤ lim x → ∞ ∫ 0 x ∣ sin t ∣ d t x ≤ lim x → ∞ ∫ 0 ( n + 1 ) π ∣ sin t ∣ d t x \lim_{x\rightarrow\infty}\frac{\int_0^{n\pi}|\sin t|dt }{x} \le \lim_{x\rightarrow\infty}\frac{\int_0^{{\color{Red} x} }|\sin t|dt}{x} \le \lim_{x\rightarrow\infty}\frac{\int_0^{(n+1)\pi}|\sin t|dt}{x} x→∞limx∫0nπ∣sint∣dt≤x→∞limx∫0x∣sint∣dt≤x→∞limx∫0(n+1)π∣sint∣dt
上述不等式链中左右两式分别是(3)和(4),因此:
2 π ≤ lim x → ∞ ∫ 0 x ∣ sin t ∣ d t x ≤ 2 π \frac{2}{\pi} \le \lim_{x\rightarrow\infty}\frac{\int_0^{{\color{Red} x} }|\sin t|dt}{x} \le \frac{2}{\pi} π2≤x→∞limx∫0x∣sint∣dt≤π2
由夹逼准则:
lim x → ∞ ∫ 0 x ∣ sin t ∣ d t x = 2 π \lim_{x\rightarrow\infty}\frac{\int_0^{{\color{Red} x} }|\sin t|dt}{x} = \frac{2}{\pi} x→∞limx∫0x∣sint∣dt=π2