Mục lục bài họcĐang ở d04-b4
← AP Calculus BC
0/40 bài đã học xong
Chương 4 · Unit 4 — Contextual Applications of Differentiation · Bài 4/4 của chương · bài 16/40 của AP Calculus BC

L'Hospital's Rule and the Indeterminate Forms

Quy tắc L'Hospital và các dạng vô định
← Mục lục bài học
Lý thuyết · English

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.

Giải thích tiếng Việt

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.

DÙNG THẲNG ĐƯỢC 0/0 · ∞/∞ 0 · ∞ đẩy một thừa số xuống mẫu ∞ − ∞ quy đồng hoặc nhân liên hợp 1^∞ · 0^0 · ∞^0 đặt y rồi lấy ln, cuối cùng mũ lại Bốn dạng dưới KHÔNG được đạo hàm tử mẫu ngay — phải nắn về hai dạng ở trên trước. Và 2/5, 0/5, 5/0 không phải dạng vô định: áp L'Hospital vào đó là ra số sai.
Bản đồ bảy dạng. Hai dạng ở ô trên là hai dạng duy nhất được đạo hàm tử mẫu ngay. Ba ô dưới là ba con đường nắn, và mũi tên cho biết mọi con đường đều đổ về cùng một chỗ. Dòng cuối là chỗ mất điểm oan nhất: $\frac25$, $\frac05$, $\frac50$ không vô định — $\frac05=0$, còn $\frac50$ thì phải xét dấu một phía. Áp L'Hospital vào chúng cho ra một con số trông rất hợp lý và hoàn toàn sai.
Ví dụ — dạng một mũ vô cùng, làm đủ ba bước

Tính $\displaystyle\lim_{x\to0}\left(\cos x\right)^{1/x^{2}}$.

Giải.

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.

Bẫy hay mất điểm — Hai bẫy chết người của phần này đều là bẫy giả thiết, không phải bẫy tính toán. Một: dùng L'Hospital khi dạng không vô định — $\lim_{x\to0}\frac{\sin x}{x+1}$ là dạng $\frac01=0$, đạo hàm tử mẫu ra $1$, sai hoàn toàn. Hai: kết luận “giới hạn không tồn tại” khi $\lim\frac{f'}{g'}$ không tồn tại. Cách chặn: mỗi lần đặt bút dùng quy tắc, viết ra dạng đang gặp; và nếu vế mới dao động không hội tụ thì quay lại biến đổi đại số chứ không kết luận.
Phải nhớ — Kiểm dạng trước mỗi lần dùng. Bốn dạng còn lại phải nắn về $\frac00$ hoặc $\frac{\infty}{\infty}$. Với dạng luỹ thừa, nhớ mũ lại ở bước cuối.

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.

Làm bài tập chương →