Mục lục bài họcĐang ở d04-b4
L'Hospital's Rule and the Indeterminate Forms
The rule, stated with its hypotheses
Suppose $f$ and $g$ are differentiable near $a$ with $g'\ne0$ near $a$, and suppose $\lim_{x\to a}\frac{f(x)}{g(x)}$ has the indeterminate form $\frac00$ or $\frac{\infty}{\infty}$. If $\lim_{x\to a}\frac{f'(x)}{g'(x)}$ exists (finite or infinite), then
$$\lim_{x\to a}\frac{f(x)}{g(x)}=\lim_{x\to a}\frac{f'(x)}{g'(x)}$$Two hypotheses do real work here. First, the form must be checked every single time, including before each repeat application. Second, the implication runs one way only: if the new limit fails to exist, the rule tells you nothing at all about the original — the original may still converge.
The other five forms
Only $\frac00$ and $\frac{\infty}{\infty}$ may be differentiated directly. The forms $0\cdot\infty$, $\infty-\infty$, $1^{\infty}$, $0^{0}$ and $\infty^{0}$ must first be rewritten:
- $0\cdot\infty$: move one factor into the denominator as its reciprocal.
- $\infty-\infty$: combine over a common denominator, or multiply by a conjugate.
- $1^{\infty}$, $0^{0}$, $\infty^{0}$: set $y$ equal to the expression, take $\ln$, find $\lim\ln y=L$, and answer $e^{L}$.
Note that $1^{\infty}$ is genuinely indeterminate: $\left(1+\frac1x\right)^{x}\to e$ while $\left(1+\frac{1}{x^{2}}\right)^{x}\to1$, and both have that same form.
Phát biểu kèm giả thiết. Nếu $\lim\frac{f}{g}$ có dạng $\frac00$ hoặc $\frac{\infty}{\infty}$, và nếu $\lim\frac{f'}{g'}$ tồn tại (hữu hạn hay vô hạn), thì hai giới hạn bằng nhau. Đây không phải quy tắc thương: đạo hàm tử và mẫu riêng rẽ, không có dấu trừ, không có bình phương mẫu.
Hai giả thiết đều có việc thật để làm. Thứ nhất, phải kiểm dạng mỗi lần dùng, kể cả trước lần dùng thứ hai và thứ ba. Thứ hai, mệnh đề chỉ đi một chiều: nếu giới hạn mới không tồn tại thì quy tắc không nói gì cả, và giới hạn gốc vẫn có thể hội tụ.
Năm dạng còn lại. Chỉ $\frac00$ và $\frac{\infty}{\infty}$ mới được đạo hàm thẳng. Các dạng $0\cdot\infty$, $\infty-\infty$, $1^{\infty}$, $0^{0}$, $\infty^{0}$ phải nắn trước:
- $0\cdot\infty$: đẩy một thừa số xuống mẫu dưới dạng nghịch đảo.
- $\infty-\infty$: quy đồng, hoặc nhân liên hợp nếu có căn.
- $1^{\infty}$, $0^{0}$, $\infty^{0}$: đặt $y$ bằng biểu thức, lấy $\ln$, tìm $\lim\ln y=L$, rồi trả lời $e^{L}$. Quên bước mũ lại ở cuối là lỗi mất điểm số một của phần này.
$1^{\infty}$ đúng là vô định chứ không bằng $1$: $\left(1+\frac1x\right)^{x}\to e$ trong khi $\left(1+\frac{1}{x^{2}}\right)^{x}\to1$, hai giới hạn khác nhau cùng mang một dạng.
Tính $\displaystyle\lim_{x\to0}\left(\cos x\right)^{1/x^{2}}$.
Bước 1 — nhận dạng. Cơ số $\cos x\to1$, số mũ $\frac{1}{x^{2}}\to+\infty$: dạng $1^{\infty}$, vô định, không được trả lời $1$.
Bước 2 — lấy loga. Đặt $y=\left(\cos x\right)^{1/x^{2}}$, khi đó
$$\ln y=\frac{\ln\left(\cos x\right)}{x^{2}}$$Tử $\to\ln1=0$, mẫu $\to0$: đúng dạng $\frac00$ nên dùng được L'Hospital.
$$\lim_{x\to0}\frac{\ln\left(\cos x\right)}{x^{2}}=\lim_{x\to0}\frac{-\tan x}{2x}$$Vẫn là $\frac00$, dùng thêm một lần:
$$\lim_{x\to0}\frac{-\sec^{2}x}{2}=-\frac12$$Bước 3 — mũ lại. $\lim\ln y=-\frac12$ nên $\lim y=e^{-1/2}=\dfrac{1}{\sqrt{e}}$.
Ai dừng ở bước 2 sẽ nộp $-\frac12$ — một số âm cho một biểu thức luôn dương. Đó là cách tự kiểm nhanh nhất cho dạng luỹ thừa.
Đọc xong rồi — làm thử ngay
Bài tập của chương Unit 4 — Contextual Applications of Differentiation gồm 14 câu trắc nghiệm và 3 đề tự luận. Đáp án hiện ngay khi chọn, miễn phí.