洛必达法则1:基本型
当函数 f(x) 和 g(x) 在点 c 的某个邻域内可导,且 g'(c) 非零,即使得 lim h→0 (f(c+h)/g(c+h)) 为实数或无穷大时,我们可以通过洛必达法则来求极限。首先,定义 lim h→0 (f'(c+h)/g'(c+h)),若这个极限存在,那么极限值即为原极限。
对任意 ε,取 N 使得 h∈(-N,N) 时,有 |f'(c+h)/g'(c+h) - L| < ε。应用柯西中值定理,我们有
|(f(c+h)/g(c+h)) - L| = |(f'(ξ_h)/g'(ξ_h)) * h| < ε|h|,ξ_h 位于 c+h 和 c 之间。
当 h→0,极限存在,即 lim h→0 |h| = 0,得出原极限 lim h→0 (f(c+h)/g(c+h)) = L。
洛必达法则1.2:扩展型
对于函数 f(x) 和 g(x),如果存在 M 使得当 x→a 时 f(x) 和 g(x) 都可导且 g'(x) 不为零,即使得 lim x→a (f(x)/g(x)) 存在,洛必达法则同样适用。以 f'(a) 和 g'(a) 代入,我们可以证明极限的存在。
通过设置 h = x - a,当 h→0,我们有 f'(a) = lim h→0 f(a+h)/h。结合柯西中值定理和极限的性质,可以得出洛必达法则的具体推导。
洛必达法则2:复杂型
针对函数在某个右领域 (c,∞) 的极限,洛必达法则同样适用。以实数情况为例,当 f(x) / g(x) 无限大时,我们可以分析 lim x→∞ (f'(x)/g'(x))。证明过程涉及极限保号性与不等式性质,通过构造辅助函数和应用柯西中值定理,可得极限结果。
对于非实数极限,例如 g(x) 为复数,我们可以类比实数情况,通过设辅助函数并结合保号性来处理。洛必达法则的证明涉及更复杂的分析技巧,这部分将在后续章节详细展开。