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洛必达(L'Hopital)法则是什么?高考题中怎么绕开它?

一、洛必达(L'Hopital)法则
这里就不涉及到严格的极限的定义,因为高中数学的课本中没有讲到极限的定义。 先来讲一个简单的概念:不定式。 设我们有两个函数 [公式][公式] ,若当 [公式] 时,有 [公式] ,则称分式 [公式][公式] 型不定式; 同样地,若当 [公式]时, 有[公式] 并且 [公式] (这里的无穷大可正可负)则称分式 [公式][公式] 型不定式。 上面便是洛必达法则使用的前提条件,只有在满足条件时才能“洛”。 洛必达法则的内容如下,分为 [公式] 型不定式和 [公式] 型不定式。 定理1 [公式] 型不定式)若当 [公式]时, [公式][公式] 型不定式, [公式][公式] 存在,且 [公式] 不是不定式,则 [公式]定理2[公式] 型不定式) 若当 [公式]时, [公式][公式] 型不定式, [公式][公式] 存在,且 [公式] 不是不定式,则 [公式]。 要解释这个定理,只需要用到导数的定义。 (需要注意的是,在这里我用的字眼是“解释”而不是“证明”,希望大家不要有着“证明就可以用”的念头。) 先考虑定理1,根据导数的定义, [公式] 。 则 [公式] ,其中 [公式] ,又根据 [公式] ,代入后即可得到 [公式] ,即为所求结果。 再考虑定理2,当 [公式] 时,若 [公式] ,则 [公式] ,记 [公式][公式] ,则 [公式][公式] 型不定式,对其应用定理1得: [公式] ,另一方面有 [公式] ,由此解得 [公式] ,也即 [公式]。 至此,便可以(不严谨地)说明上面的结论成立。

二、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 [公式] 的图像。 解答 求导得 [公式] ,因此 [公式][公式] 递减,在 [公式] 递增。 计算得 [公式][公式] ,接下来只需分析当 [公式][公式] 的取值。 [公式] ,此时发现 [公式][公式] 都趋于无穷大,使用洛必达法则得: [公式] ,因此 [公式]
例2 [公式] 时,不等式 [公式] 恒成立,求实数 [公式] 的取值范围。 解答 分离参数得 [公式] ,令 [公式] ,其中 [公式][公式] ,令 [公式][公式] ,因此 [公式][公式] 单调递增, [公式] ,因此 [公式][公式][公式] 单调递增。 要求 [公式] 恒成立,因此 [公式] ,但当 [公式] 时, [公式] ,此即为 [公式] 型不定式。根据洛必达法则,有: [公式] ,因此 [公式] ,实数 [公式] 的取值范围是 [公式]例3[公式] 时,不等式 [公式] 恒成立,求实数 [公式] 的取值范围。 解答 [公式] ,又 [公式] ,因此 [公式] 。 当 [公式] 时, [公式] ,实数 [公式] 的取值范围是 [公式] 。 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 [公式]解答[公式] 时, [公式] ,使用洛必达法则得: [公式] ,此时依旧得到的是不定式。 当 [公式] 时, [公式] ,再次使用洛必达法则得: [公式] ,因此 [公式]

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 [公式] 的形式,其中 [公式] 的临界值是 [公式] ,且 [公式] 。那么很多人就会用洛必达法则,来求出 [公式][公式] 处的极限 [公式]但这样做有必要吗?[公式] ,则 [公式] ,令 [公式] ,则原不等式等价于 [公式] 。我们尝试分析构造出来的这个函数。 当 [公式] 时, [公式] ,一般地,要令我们只要让 [公式][公式] 以前单调递减,在 [公式] 之后单调递增就行了。 也即 [公式][公式] 的极小值点,令 [公式] ,可解得 [公式] ,这个就和我们用洛必达法则得到的结果一样。 但如果 [公式] 怎么办呢?可以再求一次导,再令 [公式] ,由此解得 [公式] ,就和多次应用洛必达法则一样。 应评论区要求,补充例题的做法。例如对于刚刚的第二道例题: 例2 [公式] 时,不等式 [公式] 恒成立,求实数 [公式] 的取值范围。 解答 [公式][公式] ,注意到 [公式] 。因此考虑求第一次导。 [公式] ,此时令 [公式] ,解得 [公式] ,此即为边界值。 由 [公式] 容易知道 [公式][公式] 单调递减,在 [公式] 单调递增。 若 [公式] ,则 [公式][公式][公式] 单调递增, [公式] ,满足条件; 若 [公式] ,则 [公式][公式] 递减,在 [公式] 递增,任取 [公式] ,可以推出 [公式] ,此与 [公式] 矛盾。 综上, [公式] 的取值范围是 [公式] 。 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。 作者:Dylaaan 来源:知乎

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