问题

洛必达法则为什么会存在失效的情况?

回答
洛必达法则是一个非常强大的工具,用于求解特定形式的未定式极限,如 $frac{0}{0}$ 或 $frac{infty}{infty}$。然而,它并不是万能的,确实存在失效的情况。失效的原因主要可以归结为以下几点,我们将详细阐述:

1. 原始极限本身不存在:

这是最根本的原因。洛必达法则的本质是:如果函数 $f(x)$ 和 $g(x)$ 在点 $c$ 的某个邻域内可导,且 $g'(x) eq 0$,那么在满足 $lim_{x o c} frac{f(x)}{g(x)}$ 是 $frac{0}{0}$ 或 $frac{infty}{infty}$ 的未定式的情况下,有:

$$ lim_{x o c} frac{f(x)}{g(x)} = lim_{x o c} frac{f'(x)}{g'(x)} $$

这个法则的前提是原始极限是存在的,尽管是以未定式的形式表现出来。如果原始极限本身就不存在,那么即使 $lim_{x o c} frac{f'(x)}{g'(x)}$ 存在,也不能得出 $lim_{x o c} frac{f(x)}{g(x)}$ 存在的结论。

例子:

考虑极限 $lim_{x o infty} frac{x + sin(x)}{x}$。
这个极限是 $frac{infty}{infty}$ 的未定式。
按照洛必达法则,我们计算导数:
$f(x) = x + sin(x) implies f'(x) = 1 + cos(x)$
$g(x) = x implies g'(x) = 1$
那么 $lim_{x o infty} frac{f'(x)}{g'(x)} = lim_{x o infty} frac{1 + cos(x)}{1} = lim_{x o infty} (1 + cos(x))$。
然而,$lim_{x o infty} cos(x)$ 是不存在的,它在 1 和 1 之间振荡。
但是,这并不是洛必达法则失效的真正例子,而是说明了即使导数的极限不存在,原极限也可能存在或不存在。

我们来看一个更直接的例子,说明洛必达法则“失效”在原始极限不存在的情况:

考虑极限 $lim_{x o infty} frac{x sin(x)}{x}$。
这可以简化为 $lim_{x o infty} sin(x)$,这个极限是不存在的。
如果直接应用洛必达法则(虽然 $x sin(x)$ 的导数计算有点麻烦,但我们可以想象一个能应用的情况):
如果我们错误地将 $lim_{x o infty} frac{x sin(x)}{x}$ 当成一个可以应用洛必达法则的未定式,并对分子分母分别求导,会得到 $lim_{x o infty} frac{sin(x) + x cos(x)}{1}$。这个极限也是不存在的。

更清晰的例子,证明原始极限不存在导致洛必达法则的误导:

考虑函数 $f(x) = x^2 sin(frac{1}{x})$ 和 $g(x) = x$。
我们想求 $lim_{x o 0} frac{x^2 sin(frac{1}{x})}{x}$。
这个极限可以简化为 $lim_{x o 0} x sin(frac{1}{x})$。
我们知道,因为 $1 le sin(frac{1}{x}) le 1$,所以 $|x| le x sin(frac{1}{x}) le |x|$。
根据夹逼定理,$lim_{x o 0} x sin(frac{1}{x}) = 0$。

现在,我们错误地尝试应用洛必达法则到 $frac{x^2 sin(frac{1}{x})}{x}$ 这个形式(虽然它不是严格的 $frac{0}{0}$,因为 $x^2 sin(frac{1}{x})$ 在 $x o 0$ 时是 $0 cdot ( ext{振荡})$,极限是0。而分母是 $x$,极限也是0。所以它确实是 $frac{0}{0}$ 的形式。):
$f(x) = x^2 sin(frac{1}{x}) implies f'(x) = 2x sin(frac{1}{x}) + x^2 cos(frac{1}{x}) (frac{1}{x^2}) = 2x sin(frac{1}{x}) cos(frac{1}{x})$
$g(x) = x implies g'(x) = 1$
那么 $lim_{x o 0} frac{f'(x)}{g'(x)} = lim_{x o 0} frac{2x sin(frac{1}{x}) cos(frac{1}{x})}{1}$。
我们知道 $lim_{x o 0} 2x sin(frac{1}{x}) = 0$ (夹逼定理)。
但是 $lim_{x o 0} cos(frac{1}{x})$ 是不存在的,它在 1 和 1 之间振荡。
因此,$lim_{x o 0} frac{f'(x)}{g'(x)}$ 也是不存在的。

在这种情况下,洛必达法则“失效”了,因为它给出了一个不存在的极限,而原始极限是存在的(并且等于 0)。 这是因为原始极限虽然是 $frac{0}{0}$ 的形式,但导数的比值却进入了一个更复杂的“不存在”的情况。

2. 导数的比值本身也是未定式,且使用洛必达法则导致无限循环:

在某些情况下,当你对分子和分母应用一次洛必达法则后,导数的比值仍然是一个未定式,而且结构上可能与原函数相似,导致你不得不再次应用洛必达法则,如此循环往复,形成一个无限循环。

例子:

考虑极限 $lim_{x o infty} frac{e^x}{x}$。
这是 $frac{infty}{infty}$ 的未定式。
第一次应用洛必达法则:
$f(x) = e^x implies f'(x) = e^x$
$g(x) = x implies g'(x) = 1$
$lim_{x o infty} frac{f'(x)}{g'(x)} = lim_{x o infty} frac{e^x}{1} = infty$。
所以原极限是 $infty$。

现在考虑一个可能导致无限循环的例子:
一个常被提及的“错误”例子,用于说明洛必达法则的危险性:

考虑极限 $lim_{x o infty} frac{sqrt{x^2 + 1}}{x}$。
这是 $frac{infty}{infty}$ 的未定式。
我们尝试应用洛必达法则:
$f(x) = sqrt{x^2 + 1} implies f'(x) = frac{1}{2sqrt{x^2 + 1}} cdot 2x = frac{x}{sqrt{x^2 + 1}}$
$g(x) = x implies g'(x) = 1$
$lim_{x o infty} frac{f'(x)}{g'(x)} = lim_{x o infty} frac{frac{x}{sqrt{x^2 + 1}}}{1} = lim_{x o infty} frac{x}{sqrt{x^2 + 1}}$
这个结果 $lim_{x o infty} frac{x}{sqrt{x^2 + 1}} = lim_{x o infty} frac{x}{xsqrt{1 + frac{1}{x^2}}} = lim_{x o infty} frac{1}{sqrt{1 + frac{1}{x^2}}} = 1$。
所以原极限是 1。

但是,如果我们错误地计算导数,或者函数结构非常相似,可能导致循环。

一个经典的“可能导致循环”的例子是针对误用:
考虑 $lim_{x o infty} frac{x}{x} = 1$。
如果误用洛必达法则:
$f(x) = x implies f'(x) = 1$
$g(x) = x implies g'(x) = 1$
$lim_{x o infty} frac{f'(x)}{g'(x)} = lim_{x o infty} frac{1}{1} = 1$。
这里洛必达法则没有失效,因为导数的比值是常数。

洛必达法则最容易导致“失效”的情况是当导数的比值仍然是未定式且结构与原式相似,但实际上原式可以通过其他方式简化。

例如,考虑极限 $lim_{x o infty} frac{x + sin x}{x + cos x}$。
这是 $frac{infty}{infty}$ 的未定式。
直接计算导数比值:
$f'(x) = 1 + cos x$
$g'(x) = 1 sin x$
$lim_{x o infty} frac{1 + cos x}{1 sin x}$。
这个极限是不存在的,因为 $cos x$ 和 $sin x$ 在无穷远处振荡。

然而,我们可以通过代数方法来求解原极限:
$lim_{x o infty} frac{x + sin x}{x + cos x} = lim_{x o infty} frac{1 + frac{sin x}{x}}{1 + frac{cos x}{x}}$
由于 $lim_{x o infty} frac{sin x}{x} = 0$ 和 $lim_{x o infty} frac{cos x}{x} = 0$ (夹逼定理),
所以原极限是 $frac{1+0}{1+0} = 1$。

在这个例子中,洛必达法则“失效”了,因为它给出了一个不存在的极限,而实际极限是存在的。原因在于,虽然原始极限是未定式,但导数的比值并没有变得更简单,反而进入了一个不存在的情况。 洛必达法则的条件是“如果...那么...”,如果导数比值的极限不存在,并不能断定原极限不存在(除非原极限本身就不存在)。 关键在于,洛必达法则不能保证导数的比值会比原极限更容易求解,有时反而会更复杂或进入不存在的情况。

3. 导数 $g'(x)$ 在极限点为零且 $f'(x)$ 不为零(或导数比值在极限点趋于无穷):

洛必达法则要求在极限点附近,$g'(x) eq 0$。如果 $g'(x)$ 在极限点趋于零,并且 $f'(x)$ 在极限点不趋于零,那么导数的比值会趋于无穷。这本身并不意味着失效,而是可能得出无穷大的结论。

然而,如果 $f'(x)$ 也趋于零,那么导数比值又可能成为新的未定式。

一个更细致的关于 $g'(x) o 0$ 的情况:

考虑 $lim_{x o 0} frac{x^2}{x}$。 这个极限是 0。
应用洛必达法则:
$f(x) = x^2 implies f'(x) = 2x$
$g(x) = x implies g'(x) = 1$
$lim_{x o 0} frac{2x}{1} = 0$。 没问题。

考虑 $lim_{x o 0} frac{sin(x^2)}{x}$。 这是 $frac{0}{0}$ 的未定式。
$f(x) = sin(x^2) implies f'(x) = cos(x^2) cdot 2x$
$g(x) = x implies g'(x) = 1$
$lim_{x o 0} frac{cos(x^2) cdot 2x}{1} = cos(0) cdot 0 = 0$。 没问题。

洛必达法则真正失效的情况,通常是由于我们对其适用条件的误解,或者对函数的行为缺乏深入理解,导致导数的比值比原函数更加难以处理,甚至进入了更坏的“不存在”状态。

更直接的“失效”例子,是当分子和分母的导数比值也无法求解或出现更复杂的情况:

考虑 $lim_{x o infty} frac{x e^{x} + 1}{x e^{x} 1}$。
这是 $frac{infty}{infty}$ 的未定式。
$f'(x) = e^x + x e^x = e^x(1+x)$
$g'(x) = e^x + x e^x = e^x(1+x)$
$lim_{x o infty} frac{e^x(1+x)}{e^x(1+x)} = lim_{x o infty} 1 = 1$。 没问题。

但是,如果导数计算错误或函数设计得更复杂,就可能导致问题。

洛必达法则失效的本质是:

前提条件未满足: 最根本的是,洛必达法则的“如果...那么...”结构意味着如果条件不满足,结论就无法保证。
“转化”失败: 洛必达法则是一种“转化”手段,将一个未定式转化为另一个未定式(或确定式)。如果转化后的未定式比原未定式更难处理,或者转化本身就陷入了循环或不存在,那么就失去了意义。
忽略了更简单的代数处理: 有时,通过简单的代数变形(如因式分解、提取公因式、分子分母同除以最高次项等),可以绕过复杂的导数计算,直接得到极限。如果过早或不恰当使用洛必达法则,可能会错过这些更简单的方法。

总结来说,洛必达法则失效的情况,主要不是因为它本身是错的,而是因为它可能被误用,或者在某些特定情况下,导数的比值并不能帮助我们求解原极限,反而可能使问题变得更复杂,甚至导致错误的结论。

关键在于理解洛必达法则是一个“工具”,需要根据具体情况判断是否适用,并且在使用过程中要仔细检查导数计算,避免进入循环或不存在的境地。 当导数比值的极限不存在时,并不能直接推断原极限不存在。

网友意见

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洛必达的适用范围想要搞清楚,就要从它的条件以及证明说起——

铺垫

分子分母

  1. 在 某邻域内可导;
  2. 该点取值皆为 ;
  3. 导数之比在该点存在极限.

于是才能确保等号每一步有意义

可导,并且导数之比极限存在,实际上是非常强的条件,可以构造许多不可导,但仍然存在极限的例子。

这一情况只要做出适当转化,就能回归到前一种情况。事实上,可以推广至分子不必为


反例

在无穷远点处的可微性,不容易被人们所察觉,这也是构造反例的精髓所在,就像楼上举的反例

如果将其在 处的性态转化为在 点的性态

这个时候真相就露出水面——极限函数在 点是振荡型不连续点,讨论其可微性是不现实的,所以洛必达失效。

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