这篇文章面向的对象是高中生,将会讲解什么是洛必达法则。
以及在最后,会讲在高考题中怎么绕开洛必达法则。
现在在群里,高中生们问得最多的问题就是“洛必达怎么用?”、“能不能用洛必达?”。
这篇文章就要解决这个问题。
一、什么是洛必达法则?
洛必达法则(l'Hôpital's rule)是利用导数来计算具有不定型的极限的方法,简单来说就是求一个分式的分子和分母都趋于零时的极限的法则。这个法则是瑞士数学家约翰·伯努利(Johann Bernoulli)所发现的。
虽然是由伯努利所发现的,但是当时洛必达花钱将伯努利的这个发现买了下来,所以后人误以为是他的发明,故「洛必达法则」之名沿用至今。
与此同时,洛必达法则也被叫作伯努利法则(Bernoulli's rule)。
好了闲话少说,我们来看具体的应用吧。
洛必达法则的表示方法:
当不满足三个前提条件时,就不能用洛必达法则,这时称洛必达法则不适用,应从另外途径求极限。
(4)若条件符合,洛必达法则可连续多次使用,直到求出极限为止。
也就是说,如果在高中阶段,遇到了求解不定式问题的题目,那么解决这类问题的有效方法就是洛必达法则.
附录知识点:邻域。
邻域是无限小概念会用到的, 即可以无限地接近的一个范围。强调的内容是可以无限小,是一个范围。
去心邻域指的是邻域内不包括某一个点 。
举个例来说,求0 的邻域是可以包括 0在内 的。但是求 0 的去心邻域是,是不包括 0 的在内的。
去心邻域
点a的δ邻域去掉中心a后,称为点a的去心δ邻域。有时把开区间(a—δ, a)称为a的左δ邻域,把开区间(a, a δ)称为a的右δ邻域。
二、例题详解展示
注:分三种情况讨论:
而用洛必达法则就很容易解决这个问题。
下面用洛必达法则来求解:
所以,此时我们 注意到分界点在x=1上。
由洛必达法则有:
关于洛必达法则的运用,我们来继续看几个题目的解题过程,通过分析这些题目的求解过程,记住这些题目的特点,就是当出现了“函数式无意义”的情况时,那么这个时候我们比葫芦画瓢,那么就很容易掌握这种方法。
通过以上例题的分析,我们很容易发现应用洛必达法则解决的试题应满足:
(1)可以分离变量;
(2)用导数可以确定分离变量后,所得到的新函数的单调性;
(3)出现“零比零(0/0)”型式子
在解题的过程中,只要出现了上面的形式,那么就可以直接用“洛必达法则”来求解问题。
三、洛必达法则的小应用
举几个简单的小例子,来说明一下在高中的题目里,洛必达法则怎么用。
例1画出函数的图像。
解答求导得,因此在递减,在递增。
计算得,,接下来只需分析当时的取值。
,此时发现和都趋于无穷大,使用洛必达法则得:
,因此。
例2当时,不等式恒成立,求实数的取值范围。
解答分离参数得,令,其中。
,令,,因此在单调递增,,因此,在单调递增。
要求恒成立,因此,但当时,,此即为型不定式。根据洛必达法则,有:
,因此,实数的取值范围是。
例3当时,不等式恒成立,求实数的取值范围。
解答,又,因此。
当时,,实数的取值范围是。
甚至洛必达可以“洛”很多次,只要是不定式就可以“洛”,直到得到结果。
例4求极限。
解答当时,,使用洛必达法则得:
,此时依旧得到的是不定式。
当时,,再次使用洛必达法则得:
,因此。
三、洛必达能不能用?如何绕开洛必达法则?
其实我反复强调的是,高中数学没有极限的定义,上面的过程是不严谨的。
不同的省份改卷标准不一样,有的地方可能会给分,有的地方可能会酌情扣分,而有的地方甚至会一分都不给。
洛必达法则本来是个高等数学中非常有用的结论,但“洛必达”最后变成了一些高中生装逼用的词,遇到题目就“洛”,以为可以秒杀,但完全没有顾及到严谨性。
除此之外,许多高中生在不是不定式的情况下胡乱“洛”,最后得到一个完全错误的答案。结果这些人就开始到处问“为什么这题不能洛必达?”、“洛必达是不是错的?”。
事实上,在做题的过程中,完全可以绕开洛必达法则,达到相同的效果。
一般地说,在遇到恒成立问题时,将不等式进行分离后可以得到形如的形式,其中的临界值是,且。那么很多人就会用洛必达法则,来求出在处的极限。但这样做有必要吗?
若,则,令,则原不等式等价于。我们尝试分析构造出来的这个函数。
当时,,一般地,要令我们只要让在以前单调递减,在之后单调递增就行了。
也即是的极小值点,令,可解得,这个就和我们用洛必达法则得到的结果一样。
但如果怎么办呢?可以再求一次导,再令,由此解得,就和多次应用洛必达法则一样。
由此看来,“洛必达法则”完全没有必要出现在题目里,要使用洛必达,其实等价于直接对构造出来的函数求多次导。
在做解答题时,可以先用洛必达法则猜出答案,但是在写过程的时候,还是要用分类讨论的办法,把讨论的过程写清楚。
顺便也提醒高中生,不要盲目寻求一些“秒杀”的办法,最后反而弄巧成拙。