∞/∞型的洛必达法则是什么?

∞/∞型的洛必达法则是什么?

大家去看最新版原文吧:洛必达法则的证明探讨 - iMath - 博客园

知乎上图小我也没办法,觉得不错的话记得点赞喔!

下面的内容由于公式无法导入,所以别看了,内容和上面是一样的

洛必达法则的证明探讨

本文会解答几个洛必达法则证明过程中的问题,同时也力求提供可以理解掌握的、能从中吸取到有用经验的∞/∞型洛必达法则的证明方法。

0/0型洛必达法则[1](L’Hospital’s Rule: 0/0 case):在区间(a, b)上,f(x)和g(x)都可导、、,如果,那么

证明:先补充定义f(a)=g(a)=0,则有、,所以这个定义使得f(x)和g(x)在[a, b)上连续。对f(x)和g(x)使用柯西中值定理——取任意的,在[a, x]上有

因为f(a)=g(a)=0,所以

时,因为c在(a, x)上,所以,又因为,所以

至此0/0型洛必达法则得证。

说明:

∞/∞型洛必达法则[4](L’Hospital’s Rule: ∞/∞ case):在区间(a, b)上,f(x)和g(x)都可导、、,如果,那么

我看了三本国内较为优秀的数学分析教材上面对此的证明,皆感其证明之玄妙,尤其是里面的等式做出那些变形究竟是怎样想到的,很难从中看出头绪,即便是看完证明之后想要再现这些证明也感到很困难。现将这些证明转载于下,证明过程中我认为的难以构想之处已红框标示出,各位自行体会!

面对这些证明,我所认为的难处在于里面的等式变形,不容易看清楚作那些变形的方向是什么——为什么会想到那些变形?所以我只能将这些变换算看作是奇思妙想,说得不好听一点则曰之“奇技淫巧”, 私以为好的数学证明应当避免这些奇技淫巧,多遵循基本技巧和方法,若总是依仗一些奇思妙想难免让人对数学望而却步,读者也难以师法其中。如下便是我所寻求到的自认为可以理解掌握的、能从中吸取到有用经验的证明方法,至少不会像上面三种方法那样不容易看清里面的等式变形的思路。

思考过程:取任意的、,显然,在区间上根据柯西中值定理有

这里。因为要求的是,我最初的思路就是把和关联的等式由上面这个等式变换出来,然后再寻求其极限的契机。在等式左边的分子分母同时除以g(x)便会在整个等式中产生,即

进一步可得

不容忽视的是上面进行了“分子分母同时除以g(x)”的运算,这需要保证g(x)在对应的定义域内不等于0才行。因为,所以在a的某一近旁内必有,所以只要把选定在使得的a的近旁内就可以保证“分子分母同时除以g(x)”的运算顺利进行。

然后想令看看等式右边有没有固定的趋向,但无奈发现首当其冲的是这种情况下无法确定的趋向,所以这种思路行不通。当我想要放弃寻求可以理解掌握的∞/∞型洛必达法则的证明方法时,还好看到了Calculus with analytic geometry, 2nd Edition, George F. Simmons, p407上面的相关证明,从中获得启示后我对上面的思路进行了修改,然后得到了一个自己较为满意的证明。

在上面证明一开始那里,我们可以在内取足够靠近的,取任意的,显然,因为,所以这种情况下靠近L,然后再来看上面得到的等式

因为足够靠近(足够靠近且使之然也)并且,所以这时靠近1,靠近0,所以当被选得足够靠近时等式右边靠近,也就是靠近L,此即为所求!下面是这种证明思路的严谨数学表达。

证明:取任意的、,显然,在区间上根据柯西中值定理有

这里。因为要求的是,接下来的思路就是把和关联的等式由上面这个等式变换出来,然后再寻求其极限的契机。在等式左边的分子分母同时除以g(x)便会在整个等式中产生,即

进一步可得

不容忽视的是上面进行了“分子分母同时除以g(x)”的运算,这需要保证g(x)在对应的定义域内不等于0才行。因为,所以存在使得于成立,这里需满足。顺便声明:本文中所有的都且满足,也不难得出这样的是始终存在的。所以有条件可以保证“分子分母同时除以g(x)”的运算顺利进行。

因为,因此对于任意的存在使得于成立。

因为,所以存在使得于成立,以至于。

根据等式

然后结合上面的不等关系可以得出

因为,所以对于任意的存在使得和于成立,所以

不妨令,因为和都是任意的正实数,所以也是任意的正实数,以至于只要取就有

于成立,至此∞/∞型洛必达法则得证!

补充说明:由

得到和关联的等式的另外一种思路是在等式左右两边都乘以(该式分子和上面等式左边的分母一样,为的是相乘后消去分母,然后分母便成了,而分子里含有,这会为接下来等式里出现奠定基础),即

进一步可得

对于和等式左右两边相乘的因子,同样需要说明g(x)在对应的定义域内不等于0才行,道理同上。

我有幸看到Understanding Analysis, Second Edition, Stephen Abbott, p159上对∞/∞型洛必达法则的证明,也觉得那是可以理解掌握的、能从中吸取到有用经验的证明,故翻译并整理于下。

证明:因为,因此对于任意的存在使得于成立。顺便声明本证明中所有的都且满足这个条件,也不难得出这样的是始终存在的。

取常数,取,然后于上应用柯西中值定理有

其中,进一步可以得出

为了从上面这个不等式里分离出,这里的方法是将上面这个不等式乘上,但是的正负会影响到不等号的改变,因此有必要先确定该式的正负——因为,所以存在使得于成立,以至于,因此将上面这个不等式乘上后就有

进一步变形可得到

因为,所以存在使得和均小于于成立,以至于只要取 就有

于成立,至此∞/∞型洛必达法则得证!

补充说明:

[5]

[6]