Математика 24

Правило Лопиталя

математик

Правило Лопиталя — это метод вычисления пределов, основанный на использовании производных. Применяется для раскрытия неопределенностей вида $\left[\frac{0}{0}\right]$ и $\left[\frac{\infty}{\infty}\right]$.

Метод заключается в том, что предел отношения функций равен пределу отношения их производных:

$$\lim \frac{f(x)}{g(x)} = \lim \frac{f'(x)}{g'(x)}$$

Если после первого дифференцирования неопределенность сохраняется, правило можно применить повторно.

Пошаговый алгоритм решения

  1. Проверить подстановкой, что предел действительно дает неопределенность ноль на ноль или бесконечность на бесконечность.
  2. Найти производную числителя отдельно и производную знаменателя отдельно.
  3. Записать новый предел от полученного отношения производных и упростить получившуюся дробь.
  4. Повторно подставить предельное число в преобразованное выражение.
  5. Вычислить числовой ответ, либо применить правило еще раз, если неопределенность осталась.

Примеры решений задач

Пример 1

Вычислите предел функции по правилу Лопиталя: $\lim_{x \to 0} \frac{e^{4x} - 1}{\ln(1 + 2x)}$

Решение:

Прямая подстановка нуля вместо переменной дает нам $e^0 - 1 = 1 - 1 = 0$ в числителе и $\ln(1) = 0$ в знаменателе. Мы имеем неопределенность $\left[\frac{0}{0}\right]$.

Найдем производные числителя и знаменателя по отдельности:

$$(e^{4x} - 1)' = 4e^{4x}$$

$$(\ln(1 + 2x))' = \frac{1}{1 + 2x} \cdot (1 + 2x)' = \frac{2}{1 + 2x}$$

Запишем наш предел в обновленном виде:

$$\lim_{x \to 0} \frac{4e^{4x}}{\frac{2}{1 + 2x}}$$

Избавимся от трехэтажности дроби, перекинув нижний знаменатель наверх, и провем промежуточное сокращение коэффициентов:

$$\lim_{x \to 0} \frac{4e^{4x} \cdot (1 + 2x)}{2} = \lim_{x \to 0} [2e^{4x} \cdot (1 + 2x)]$$

Проводим финишную подстановку нуля и рассчитываем точный ответ:

$$2e^0 \cdot (1 + 2 \cdot 0) = 2 \cdot 1 \cdot 1 = 2$$

Ответ. 2

Пример 2

Найдите предел выражения: $\lim_{x \to 2} \frac{x^3 - 4x^2 + 4x}{x^3 - 12x + 16}$

Решение:

Подставим двойку в выражение: в числителе выходит $8 - 16 + 8 = 0$, в знаменателе $8 - 24 + 16 = 0$. Столкнувшись с неопределенностью $\left[\frac{0}{0}\right]$, запускаем первый круг правила Лопиталя — берем производные от многочленов:

$$\lim_{x \to 2} \frac{(x^3 - 4x^2 + 4x)'}{(x^3 - 12x + 16)'} = \lim_{x \to 2} \frac{3x^2 - 8x + 4}{3x^2 - 12}$$

Проверим, исчезла ли проблема, подставив двойку еще раз. Вверху получаем $12 - 16 + 4 = 0$, внизу $12 - 12 = 0$. Неопределенность $\left[\frac{0}{0}\right]$ устояла. Запускаем правило Лопиталя повторно (дифференцируем новые многочлены):

$$\lim_{x \to 2} \frac{(3x^2 - 8x + 4)'}{(3x^2 - 12)'} = \lim_{x \to 2} \frac{6x - 8}{6x}$$

Проводим третью попытку подстановки. Теперь в числителе и знаменателе формируются обычные числовые значения без особенностей:

$$\frac{6 \cdot 2 - 8}{6 \cdot 2} = \frac{12 - 8}{12} = \frac{4}{12} = \frac{1}{3}$$

Ответ. $\frac{1}{3}$

Пример 3

Вычислите предел функции на бесконечности: $\lim_{x \to \infty} \frac{x^2 - 3x}{\ln^2 x}$

Решение:

При устремлении икса к бесконечности числитель и знаменатель дроби растут без ограничений, порождая неопределенность $\left[\frac{\infty}{\infty}\right]$. Дифференцируем верхнюю и нижнюю части дроби. В знаменателе раскрываем квадрат функции как $2\ln x \cdot (\ln x)'$:

$$\lim_{x \to \infty} \frac{(x^2 - 3x)'}{(\ln^2 x)'} = \lim_{x \to \infty} \frac{2x - 3}{2\ln x \cdot \frac{1}{x}}$$

Избавимся от переменной в подвале дроби, домножив весь числитель на $x$:

$$\lim_{x \to \infty} \frac{x(2x - 3)}{2\ln x} = \lim_{x \to \infty} \frac{2x^2 - 3x}{2\ln x}$$

Подстановка снова дает неопределенность $\left[\frac{\infty}{\infty}\right]$. Применяем правило Лопиталя второй раз:

$$\lim_{x \to \infty} \frac{(2x^2 - 3x)'}{(2\ln x)'} = \lim_{x \to \infty} \frac{4x - 3}{\frac{2}{x}}$$

Снова поднимаем икс из подвала наверх, перемножая числитель:

$$\lim_{x \to \infty} \frac{x(4x - 3)}{2} = \lim_{x \to \infty} \frac{4x^2 - 3x}{2}$$

Переходим к финальному пределу. Знаменатель равен константе 2, а числитель при $x \to \infty$ неограниченно растет вверх. Деление бесконечно большой величины на двойку дает бесконечный результат:

$$\frac{\infty}{2} = \infty$$

Ответ. $\infty$

Пределы