2021年洛必达法则 泰勒公式
洛必达法则泰勒公式
洛必达法则泰勒公式一、洛必达法则在第一章第七节中我们曾经讨论过无穷小的比较问题，并且已经知道两个无穷小之比的极限可能存在，也可能不存在，既使它存在也不能用商的极限运算法则去求解.而由无穷大与无穷小的关系知，无穷大之比的极限问题也是如此.在数学上，通常把无穷小之比的极限和无穷大之比的极限称为未定式，并分别简记为和.由于在讨论上述未定式的极限时，不能应用商的极限运算法则，这或多或少地都会给未定式极限的讨论带来一定的困难.今天在这里我们应用导数的理论推出一种既简便又重要的未定式极限的计算方法，并着重讨论当时，型未定式极限的计算，关于这种情形有以下定理.定理1设（1）当时，函数及都趋于零；（2）在点的某去心邻域内，及都存在，且；（3）存在（或为无穷大），则.也就是说，当存在时，也存在，且等于；当为无穷大时，也是无穷大.这种在一定条件下，通过分子分母分别求导，再求极限来确定未定式极限的方法称为洛必达（L' Hospita 1）法则.下面我们给出定理1的严格证明：分析由于上述定理的结论是把函数的问题转化为其导数的问题，显然应考虑微分中值定理.再由分子和分母是两个不同的函数，因此应考虑应用柯西中值定理.证因为求极限与及的取值无关，所以可以假定.于是由条件（1）和（2）知，及在点的某一邻域内是连续的.设是这邻域内一点，则在以及为端点的区间上，函数和满足柯西中值定理的条件，因此在和之间至少存在一点，使得等式（在与之间）成立.对上式两端求时的极限，注意到时，贝叽又因为极限存在（或为无穷大），所以.故定理1成立.注若仍为型未定式，且此时和能满足定理1中和所要满足的条件，则可以继续使用洛必达法则先确定，从而确定和，即.且这种情况可以继续依此类推.例1求.分析当时，分子分母的极限皆为零，故属于型不定式，可考虑应用洛必达法则.解、注最后一个求极限的函数在处是连续的.例2求.解、注例2中我们连续应用了两次洛必达法则.例3求.解、例4求、解、注（1）在例4中，如果我们不提出分母中的非零因子，则在应用洛必达法则时需要计算导数，从而使运算复杂化.因此，在应用洛必达法则求极限时，特别要注意通过提取因子，作等价无穷小代换，利用两个重要极限的结果等方法，使运算尽可能地得到简化.课后请同学们自己学习教材136页上的例10・（2）例4中的极限已不是未定式，不能对它应用洛必达法则，否则要导致错误的结果.以后在应用洛必达法则时应特别注意，不是未定式，不能应用洛必达法则.对于时的未定式有以下定理.定理2设（1）当时，函数及都趋于零；（2）当时，与都存在，且；（3）存在（或为无穷大），则.同样地, 对于（或）时的未定式，也有相应的洛必达法则.定理3设（1）当（或）时，函数及都趋于无穷大；（2）在点的某去心邻域内（或当时），及都存在，且；（3）存在（或为无穷大），则.例5求、解、例6求、解、事实上，例6中的不是正整数而是任何正数其极限仍为零.注由例5和例6可见，当时，函数都是无穷大，但三个函数增大的“速度”是不一样的，最快，其次是，最慢的是.除了和型未定式外，还有型的未定式.这些未定式可转化为或型的未定式来计算，下面我们通过实例来加以说明.例7求.分析因为，，所以是型未定式.又因为，.而是型未定式，是型未定式，所以型未定式可以转化为或型未定式去计算.解、例8 求.分析因为，，所以是型未定式.又因为.而是型未定式，所以上述型未定式可以转化为型未定式来计算•解.注讨论型未定式的极限，一般都是通过提取公因式或通分的方法把函数由和的形式转化为商的形式，然后再去讨论.例9求、分析这是一个幕指函数求极限的问题，由于，所以是一个型未定式.又因为，而是型未定式，所以上述型未定式可以转化为或型未定式来计算.解、例10求.分析由于，，所以是一个型未定式.又因为，而是型未定式，所以上述型未定式可以转化为或型未定式来计算.解、由于，所以.例11求、分析由于，，所以是一个型未定式.又因为，而是型未定式，所以上述型未定式可以转化为或型未定式来计算.解.由于，所以、型未定式向或型未定式的转化可形式地表示为：或；（或）；（或）；（或）・最后我们指出，洛必达法则是求未定式极限的一种方法.当定理的条件满足时，所求的极限当然存在（或为），但当定理的条件不满足时，所求极限不一定不存在.也就是说，当不存在时(无穷大的情况除外)，仍可能存在，见下面的例题.例12 求、解这是一个型未定式，我们有.由于上式右端极限不存在，所以未定式的极限不能用洛必达法则去求，但不能据此断定极限不存在.这时我们需要另辟新径，重新考虑这个极限・・由此可见极限是存在的.二、泰勒公式把一个复杂的问题转化为一个简单的问题去研究是我们研究复杂问题时经常采用的方法，那么对于一个复杂的函数，为了便于研究，我们也希望用一些简单的函数来近似表达.说到简单函数，我们想到了用多项式表示的函数，它的运算非常简单.那么是否任意一个函数都可以用多项式去近似表达呢？关于这个问题我们曾经在微分近似计算中讨论过.设函数在点的某个邻域内可导，且，则在该邻域内.用上述的一次多项式去近似表达函数存在两点不足：(1)精确度不高，它所产生的误差仅是比高阶的无穷小；(2)用它做近似计算时，不能具体估算出误差大小.因此，在一些精度要求较高且要求估计误差的问题中，上述近似表达是满足不了要求的.这时我们就想，是否可以找到一个关于的更高次多项式去近似地表达函数，从而使误差变得更小呢？这就是下面我们要解决的问题.设函数在含有的某个开区间内具有直到阶的导数，并设用于近似表达函数的多项式为、(1)既然我们要用去近似地表达，自然要求在处的函数值及它的直到阶的导数在处的值依次与，相等，即，，…，・这样我们就得到了如下个等式，，，・・・，，即，，，…，.将所求得的多项式的系数，，…，代入(1)式，得、(2)下面的泰勒(Taylor)中值定理告诉我们，多项式(2)就是我们要找的多项式，并且用它去近似表达函数f(x),其误差的确变小了.泰勒中值定理若函数f(x)在含有x的某个开区间(a,b)内具有直到(n+1)阶的导数，则对任意x, 有f(x)二、(3)其中，(4)这里是在与之间的某个值.由(2)式和(3) 式知，，现在只要证明(介于与之间)即可•证由假设知，在内具有直到阶的导数，且、函数与在以及为端点的区间上满足柯西中值定理的条件，故有(介于与之间)、同样，函数与在以及为端点的区间上也满足柯西中值定理的条件，故有(介于与之间)、继续对函数与在以及为端点的区间上应用柯西中值定理，如此做下去，经过次应用柯西中值定理后，得(介于与之间，因而也在与之间)、定理证毕.泰勒中值定理告诉我们，以多项式近似表达函数时，其误差为.如果对某个固定的，当时，，则有误差估计式，及.由此可见，当时，误差是比高阶的无穷小，即(5)上述结果表明，多项式的次数越大，越小，用去近似表达的误差就越小，是比高阶的无穷小，并且误差是可估计的.泰勒公式不仅在近似计算中有着广泛的应用，而且它在级数理论和数值计算中也起着重要的作用，同学们一定要深刻地理解它.到此我们所提出的问题就解决了.多项式(2)称为函数按的專展开的次泰勒多项式，公式(3)称为按的幕展开的带有拉格朗日型余项的阶泰勒公式，而的表达式(4)称为拉格朗日型余项.当时，泰勒公式变成拉格朗日中值公式(介于与之间).因此，泰勒中值定理是拉格朗日中值定理的推广.在不需要余项的精确表达式时，阶泰勒公式也可写成、(6 )的表达式(5)称为佩亚诺(Peano)型余项，公式(6)称为按的幕展开的带有佩亚诺型余项的阶泰勒公式.在泰勒公式(3)中，如果取，则在0与之间.因此可令，从而泰勒公式变成简单的形式，即所谓带有拉格朗日型余项的麦克劳林(Mac 1 aurin)公式、(7)在泰勒公式(6)中，若取，则带有佩亚诺型余项的麦克劳林公式为、(8)由(7)和(8)可得近似公式、(9)误差估计式相应地变成、(10)例1写出函数的带有拉格朗日型余项的阶麦克劳林公式.解因为，所以.把这些值代入公式(7),并注意到，便得、由这个公式可知，若把用它的次泰勒多项式近似地表达为，则所产生的误差为、如果取，则无理数的近似式为，其误差.当时，可算出，其误差不超过.例2求的带有拉格朗日型余项的阶麦克劳林公式.解因为，，，・・・，，所以，，，，・・・，它们顺序循环地取四个数，，，，于是令，按公式(7)得，其中.如果取，则得近似公式，这时误差为、如果分别取和，则可得的次和次近似和，其误差的绝对值依次不超过和.以上三个近似多项式及正弦函数的图形见图4.由图4可见，当时，近似多项式的次数越高，其向函数逼近的速度就越快，这就是泰勒公式的精髓.类似地，我们还可以求出函数和的带有拉格朗日型余项的麦克劳林公式：其中；，其中；，其中.由以上带有拉格朗日型余项的麦克劳林公式，可很容易的得到相应地带有佩亚诺型余项的麦克劳林公式，请同学们课后自己写出来.以上这些常见函数的麦克劳林公式要求同学们一定要熟记，以便在今后使用时方便.例3利用带有佩亚诺型余项的麦克劳林公式，求极限.分析利用带有佩亚诺型余项的麦克劳林公式求极限，就是把极限中所涉及到的不是关于的多项式的函数，都用麦克劳林公式来表示，然后求其极限.在利用麦克劳林公式计算极限时，自变量的变化过程一定得是趋于零，否则保证不了麦克劳林公式对原始函数的良好近似.在本问题中，由于分式的分母，因此我们只需要将分子中的和分别用带有佩亚诺型余项的三阶麦克劳林公式表示即可，其中，.为什么和要展成三阶麦克劳林公式，而不展成其它阶的麦克劳林公式呢？这是因为用麦克劳林公式将分子展成关于的多项式后，分子分母中的最高次幕一定要相等，以便运算.这一点同学们今后一定要注意.解其中仍是比高阶的无穷小，因为.总结由于两个多项式之比的极限比较容易计算，所以人们经常利用泰勒公式把两个复杂函数之比的极限问题转化为多项式之比的极限问题.。
洛必达法则
洛必达法则简介洛必达法则（L’Hôpital’s rule），又称洛必达法则（L’Hospital’s rule），是微积分中的一条重要定理，用于求解某些形式的极限。
这一定理由法国数学家洛必达（Guillaume-Roger-François, Marquis de L’Hôpital）在18世纪提出，被认为是微积分学中的重要工具之一。
洛必达法则主要用于解决形如f(x) / g(x)形式的函数极限问题，其中f(x)和g(x)是两个可导函数，并且极限结果存在不定型。
通过洛必达法则，我们可以将其转化为求f’(x) / g’(x)的极限，从而得到准确的结果。
洛必达法则的条件洛必达法则适用于以下情况：1.极限形式为f(x) / g(x)；2.函数f(x)和g(x)在极限点的附近均连续；3.函数g’(x)不为零，除了可能在极限点上。
洛必达法则的表述洛必达法则的一般形式可表示为：若函数f(x)和g(x)满足洛必达法则的条件，并且极限：存在或为无穷大时，那么：其中，f’(x) 和g’(x) 分别表示函数f(x)和g(x)的导数。
洛必达法则的应用步骤使用洛必达法则解决极限问题的步骤如下：1.将函数f(x)和g(x)分别求导，得到f’(x)和g’(x)；2.计算f’(x) / g’(x)的极限值。
若结果存在或为无穷大，则该极限值就是原始极限的结果；3.若求导后的函数又出现不定型，可以继续应用洛必达法则，依次求导，直到结果不再出现不定型。
示例让我们通过一个简单的例子来说明洛必达法则的应用。
假设我们需要求解如下极限问题：可以看到，分母g(x)在极限点0的附近为零，因此我们可以尝试使用洛必达法则来求解。
首先，我们计算函数f(x)和g(x)的导数：然后，我们计算f’(x) / g’(x)的极限：因此，根据洛必达法则，原始极限的结果为1。
总结洛必达法则是微积分中解决某些形式的极限问题的重要工具。
高数洛必达法则
与夹逼定理（Squeeze Theorem）结合使用，可以 求解一些复杂的不定式极限
问题。
与单调有界定理（Monotone Bounded Theorem）相关联， 可用于判断数列或函数的收敛
性。
02
洛必达法则证明过程
构造函数法证明
构造函数
01
通过构造一个与原函数在某点处切线斜率相同的辅助函数，将
适用范围及条件
适用于0/0型和∞/∞型的不定式极限。
使用条件：当x趋向于某一值时（可以是无穷大），函数f(x)与g(x)都趋向于0或者无穷大，且两者的导函数存在且比值为常（Taylor's Theorem）有密切关系，洛必 达法则是泰勒公式在求解极限
时的特殊应用。
变量替换法
在某些情况下，通过变量替换可以简化极限的计算过程。
05
洛必达法则拓展与延伸
多元函数洛必达法则
多元函数洛必达法则的定 义
对于多元函数，当其在某点的偏导数存在且 连续时，该点处的极限值可以通过洛必达法 则求解。
多元函数洛必达法则的应用 条件
要求函数在考察点处偏导数存在且连续，同时需要 满足一定的限制条件，如分母不为零等。
高数洛必达法则
• 洛必达法则基本概念 • 洛必达法则证明过程 • 洛必达法则应用举例 • 洛必达法则注意事项 • 洛必达法则拓展与延伸
01
洛必达法则基本概念
洛必达法则定义
洛必达法则（L'Hôpital's Rule）是微 积分学中的一个重要定理，用于求解 不定式极限。
该法则以法国数学家纪尧姆·弗朗索瓦· 安托万·德·洛必达命名。
解不等式
将不等式转化为函数值比较问题，利用洛必 达法则求解函数的极值点，进而确定不等式 的解集。
(2021年整理)泰勒公式的证明与应用
泰勒公式的证明与应用编辑整理：尊敬的读者朋友们：这里是精品文档编辑中心，本文档内容是由我和我的同事精心编辑整理后发布的，发布之前我们对文中内容进行仔细校对，但是难免会有疏漏的地方，但是任然希望（泰勒公式的证明与应用）的内容能够给您的工作和学习带来便利。
同时也真诚的希望收到您的建议和反馈，这将是我们进步的源泉，前进的动力。
本文可编辑可修改，如果觉得对您有帮助请收藏以便随时查阅，最后祝您生活愉快业绩进步，以下为泰勒公式的证明与应用的全部内容。
本科生毕业论文（设计）册学院专业班级学生指导教师论文编号目录中文摘要、关键词 (Ⅱ)绪论 (1)一、泰勒简介 (1)二、泰勒公式的证明 (2)2.1带有佩亚诺型余项的泰勒公式 (2)2。
2 带有拉格朗日型余项的泰勒公式 (3)2.3几种常见函数的展开式 (4)三、泰勒公式应用 (5)3。
1应用泰勒公式求极限 (5)3.2利用泰勒公式证明不等式……………………………………(7)3。
3 利用泰勒公式判断级数、积分的敛散性 (11)3。
4利用泰勒公式证明根的唯一存在性 (13)3。
5 利用泰勒公式证明函数极值 (14)3。
6利用泰勒公式近似计算求值 (14)3。
6.1 对函数的近似计算 (14)3。
6.2求高阶导数在某些点的数值 (16)3.6。
3求行列式的值 (17)参考文献 (20)英文摘要、关键词 (Ⅲ)泰勒公式的证明与应用摘要本文主要介绍了泰勒公式及其常见的几个函数展开式。
在微积分学中，泰勒定理,是给出了一个近似k次可微函数，通过给定k—阶泰勒多项式点周围。
对于解析函数在某一点的泰勒多项式是有限阶泰勒级数，这完全决定在一些点附近的函数。
泰勒公式的初衷也就是用多项式来近似表示函数在某一点周围的情况,从而可以将复杂的函数在定义域内某一具体点展成我们熟悉的多项式,也即用一个多项式函数去逼近原函数,将误差控制在我们需要的范围内，从而更加有利于我们简化计算、思维方式,从而得到我们想要的答案来解决问题。
(2021年整理)泰勒公式的证明及应用(1)
泰勒公式的证明及应用(1)编辑整理：尊敬的读者朋友们：这里是精品文档编辑中心，本文档内容是由我和我的同事精心编辑整理后发布的，发布之前我们对文中内容进行仔细校对，但是难免会有疏漏的地方，但是任然希望（泰勒公式的证明及应用(1)）的内容能够给您的工作和学习带来便利。
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一．摘要 (3)前言 (3)二、泰勒公式极其极其证明…………………… ……。
.3（一）带有皮亚诺型余项的泰勒公式 (3)（二)带有拉格朗日型余项的泰勒公式 (4)(三)带有柯西型余项的泰勒公式 (5)(四)积分型泰勒公式 (6)(五)二元函数的泰勒公式.......................................。
.7三、泰勒公式的若干应用 (8)(一）利用泰勒公式求极限 (8)（二）利用泰勒公式求高阶导数 (9)（三）利用泰勒公式判断敛散性 (10)（四）利用泰勒公式证明中值定理 (12)（五）利用泰勒公式证明不等式 (13)（六）利用泰勒公式求近似和值误差估计 (15)（七)利用泰勒公式研究函数的极值 (16)四、我对泰勒公式的认识 (16)参考文献 (17)英文翻译 (17)Taylor 公式的证明及应用【摘要】数学中的著名的公式都是一古典的数学问题，它们在数学，化学与物理领域都有很广泛的运用.在现代数学中Taylor 公式有着重要地位，它对计算极限，敛散性的判断，不等式的证明、中值问题及高阶导的计算以及近似值的计算等方面都有很大的作用。
在本文中，我将谈到关于公式的几种形式及其证明方法并对以上几个方面进一步的运用，和我对几者之间的一些联系和差异的看法。
并通过具体事例进行具体的说明相关运用方法 【关键词】泰勒公式 佩亚诺余项 拉格朗日余项 极限 级数1、常见Taylor 公式定义及其证明我们通常所见的Taylor 公式有皮亚诺型、拉格朗日型、柯西型与积分型，还有常用的二元函数的Taylor 公式和高阶函数的Taylor 公式.定义:设函数存在n 阶导数，由这些导数构成n 次多项式,称为函数在该点处的泰勒多项式各项系数称为泰勒系数。
洛必达法则与泰勒公式
1
第二节
0 1.未定式： , 0
洛必达法则
两个函数 f ( x )与F ( x ) 都趋于零 若当 x a(或x )时，
1 n n f x 0 x x 0 （2） n! 泰勒中值定理 设函数 f ( x ) 在含有 x 0 的某个开区间 (a , b )
内具有直到(n+1)阶导数，则当 x (a, b) 时，f ( x ) 可表示为
( x x 0 ) 的一个n 次多项式与一个余项 Rn ( x ) 之和：
4.洛必达法则求极限举例： x sin x 0 例1 求 lim x 0 x3 0 解
例2
1 cos x x sinx lim lim 3 x 0 x 0 3x2 x
sin x 1 lim x 0 6 x 6
x3 3x 2 0 求 lim 3 x 1 x x 2 x 1 0
pn x a0 a1 x x0 a2 x x0 an x x0 （1）
2 n
f 0 P 0, f 0 P0
来近似表达 f ( x ), 要求： n f ( x ) p ( x ) ( x x ) n 0 ①
f '( x) 0 仍属 若 型未定式， 且这时 f ' ( x ) 及 F ' x 能满足 F '( x) 0 定理中 f ( x ) 及 F ( x ) 所满足的条件， 可继续施用洛必达法则，
4
即
洛必达法则泰勒公式
洛必达法则泰勒公式f(x)=f(a)+f'(a)(x-a)/1!+f''(a)(x-a)²/2!+f'''(a)(x-a)³/3!+...其中，f(x)是要计算的函数，a是展开点，f'(a)表示函数在a点的一阶导数，f''(a)表示函数在a点的二阶导数，以此类推。
通过使用洛必达法则，我们可以通过计算泰勒级数的前n项来近似计算函数在a点附近的值。
1.洛必达法则只适用于形如0/0或无穷大/无穷大形式的极限计算。
当计算极限时遇到这种情况，可以尝试使用洛必达法则来简化计算。
2.如果一个函数在特定点a处连续，并且它的导数在该点附近存在且有定义，那么这个函数在该点处的极限等于导数在该点的值。
也就是说，如果f(a)=g(a)=0，且f'(a)和g'(a)存在（有限或无穷大），那么f(x)/g(x)的极限为f'(a)/g'(a)。
3.洛必达法则可以迭代使用，即可以多次应用洛必达法则来计算复杂的极限。
如果一个极限形式无法直接应用洛必达法则，可以通过迭代运用洛必达法则来简化极限的计算。
4.使用洛必达法则需要注意，由于洛必达法则只是一种近似方法，所以在使用洛必达法则计算极限时，结果可能只是一个近似值，并不是一个准确的值。
因此，在进行极限计算时，需要将结果验证过程中的任何近似值与准确值进行比较。
洛必达法则的应用广泛，特别是在微积分和数学分析中。
通过洛必达法则，我们可以在计算函数的极限时，通过近似的方式得到一个接近准确值的结果。
因此，洛必达法则被认为是一种非常有用的数学工具，对于解决复杂的极限计算问题有着重要的作用。
洛必达公式+泰勒公式+柯西中值定理+罗尔
洛必达公式+泰勒公式+柯西中值定理+罗尔本页仅作为文档页封面，使用时可以删除This document is for reference only-rar21year.March洛必达公式+泰勒公式+柯西中值定理+罗尔定理洛必达法则洛必达法则(L'Hospital法则)，是在一定条件下通过分子分母分别求导再求极限来确定未定式值的方法。
设(1)当x→a时，函数f(x)及F(x)都趋于零；(2)在点a的去心邻域内，f'(x)及F'(x)都存在且F'(x)≠0；(3)当x→a时lim f'(x)/F'(x)存在(或为无穷大)，那么x→a时 lim f(x)/F(x)=lim f'(x)/F'(x)。
再设(1)当x→∞时，函数f(x)及F(x)都趋于零；(2)当|x|>N时f'(x)及F'(x)都存在，且F'(x)≠0；(3)当x→∞时lim f'(x)/F'(x)存在(或为无穷大)，那么x→∞时 lim f(x)/F(x)=lim f'(x)/F'(x)。
利用洛必达法则求未定式的极限是微分学中的重点之一，在解题中应注意：①在着手求极限以前，首先要检查是否满足0/0或∞/∞型未定式，否则滥用洛必达法则会出错。
当不存在时（不包括∞情形），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。
比如利用泰勒公式求解。
②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。
③洛必达法则是求未定式极限的有效工具，但是如果仅用洛必达法则，往往计算会十分繁琐，因此一定要与其他方法相结合，比如及时将非零极限的乘积因子分离出来以简化计算、乘积因子用等价量替换等等. 泰勒公式（Taylor's formula）泰勒中值定理：若函数f(x)在开区间（a，b）有直到n+1阶的导数，则当函数在此区间内时，可以展开为一个关于（x-x.)多项式和一个余项的和：f(x)=f(x.)+f'(x.)(x-x.)+f''(x.)/2!*(x-x.)^2,+f'''(x.)/3!*(x-x.)^3+……+f(n)(x.)/n!*(x-x.)^n+Rn其中Rn=f(n+1)(ξ)/(n+1)!*(x-x.)^(n+1),这里ξ在x和x.之间，该余项称为拉格朗日型的余项。
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第三章微分中值定理与导数的应用欧阳光明（2021.03.07）第二讲洛必达法则泰勒公式目的 1．使学生掌握用洛必达法则求各种类型未定式极限的方法；2．理解泰勒中值定理的内涵；3．了解等函数的麦克劳林公式；4．学会泰勒中值定理的一些简单应用．重点 1．运用洛必达法则求各种类型未定式极限的方法；2．使学生理解泰勒中值定理的内涵．难点使学生深刻理解泰勒中值定理的精髓．一、洛必达法则在第一章第七节中我们曾经讨论过无穷小的比较问题，并且已经知道两个无穷小之比的极限可能存在，也可能不存在，既使它存在也不能用商的极限运算法则去求解．而由无穷大与无穷小的关系知，无穷大之比的极限问题也是如此．在数学上，通常把无穷小之比的极限和无穷大之比的极限称为未定式，并分别简记为和．由于在讨论上述未定式的极限时，不能应用商的极限运算法则，这或多或少地都会给未定式极限的讨论带来一定的困难．今天在这里我们应用导数的理论推出一种既简便又重要的未定式极限的计算方法，并着重讨论当时，型未定式极限的计算，关于这种情形有以下定理．定理 1 设(1) 当时，函数及都趋于零；(2)在点的某去心邻域内，及都存在，且；(3)存在(或为无穷大)，则．也就是说，当存在时，也存在，且等于；当为无穷大时，也是无穷大．这种在一定条件下，通过分子分母分别求导，再求极限来确定未定式极限的方法称为洛必达(L’Hospital)法则．下面我们给出定理1的严格证明：分析由于上述定理的结论是把函数的问题转化为其导数的问题，显然应考虑微分中值定理．再由分子和分母是两个不同的函数，因此应考虑应用柯西中值定理．证因为求极限与及的取值无关，所以可以假定．于是由条件(1)和(2)知，及在点的某一邻域内是连续的．设是这邻域内一点，则在以及为端点的区间上，函数和满足柯西中值定理的条件，因此在和之间至少存在一点，使得等式(在与之间)成立．对上式两端求时的极限，注意到时，则．存在(又因为极限或为无穷大，所以)．故定理1成立．注若仍为型未定式，且此时和能满足定理1中和所要满足的条件，则可以继续使用洛必达法则先确定，从而确定和，即．且这种情况可以继续依此类推．例1 求．分析当时，分子分母的极限皆为零，故属于型不定式，可考虑应用洛必达法则．解.注最后一个求极限的函数在处是连续的．例2 求．解.注例２中我们连续应用了两次洛必达法则．例3 求．解.例4 求.解.注 (1) 在例4中，如果我们不提出分母中的非零因子，则在应用洛必达法则时需要计算导从而使运算复杂化．因此，在应用洛必达法则求极限时，特别要注意通过提取因子，作等价无穷小代换，利用两个重要极限的结果等方法，使运算尽可能地得到简化．课后请同学们自己学习教材136页上的例10 ．(2) 例４中的极限已不是未定式，不能对它应用洛必达法则，否则要导致错误的结果．以后在应用洛必达法则时应特别注意，不是未定式，不能应用洛必达法则．对于时的未定式有以下定理．定理2 设(1)当时，函数及都趋于零；(2) 当时，与都存在，且；(3) 存在(或为无穷大)，则．同样地,对于(或)时的未定式，也有相应的洛必达法则．定理3 设(1)当(或)时，函数及都趋于无穷大；(2)在点的某去心邻域内(或当时)，及都存在，且；(3)存在(或为无穷大)，则．例5 求.解.例6 求.解.事实上，例6中的不是正整数而是任何正数其极限仍为零．注由例5和例6可见，当时，函数都是无穷大，但三个函数增大的“速度”是不一样的，最快，其次是，最慢的是．除了和型未定式外，还有型的未定式．这些未定式可转化为或型的未定式来计算，下面我们通过实例来加以说明．例7 求．分析因为，，所以是型未定式．又因为，．是而型未定式，是型未定型未定式，所以式可以转化为型未定式去计算．或解.例8 求．分析因为，，所以是型未定式．又因为．而是型未定式，所以上述型未定式可以转化为型未定式来计算．解．注讨论型未定式的极限，一般都是通过提取公因式或通分的方法把函数由和的形式转化为商的形式，然后再去讨论．例9 求.是一个幂指函数求极限的问题，由于，所以是一个型未定式．又因为，而是型未定式，所以上述型未定式可以转化为或型未定式来计算．解.例10 求．分析由于，，所以是一个型未定式．又因为，而是型未定式，所以上述型未定式可以转化为或型未定式来计算．解.由于,所以．例11 求.分析由于，，所以是一个型未定式．又因为，而是型未定式，所以上述型未定式可以转化为或型未定式来计算．解．由于，所以.型未定式向或型未定式的转化可形式地表示为：或；(或)；(或)；(或) ．最后我们指出，洛必达法则是求未定式极限的一种方法．当定理的条件满足时，所求的极限当然存在(或为)，但当定理的条件不满足时，所求极限不一定不存在．也就是说，当不存在时(无穷大的情况除外)，仍可能存在,见下面的例题．例12 求.解这是一个型未定式，我们有．由于上式右端极限不存在，所以未定式的极限不能用洛必达法则去求，但不能据此断定极限不存在．这时我们需要另辟新径，重新考虑这个极限．．由此可见极限是存在的．二、泰勒公式把一个复杂的问题转化为一个简单的问题去研究是我们研究复杂问题时经常采用的方法，那么对于一个复杂的函数，为了便于研究，我们也希望用一些简单的函数来近似表达．说到简单函数，我们想到了用多项式表示的函数，它的运算非常简单．那么是否任意一个函数都可以用多项式去近似表达呢？关于这个问题我们曾经在微分近似计算中讨论过．设函数在点的某个邻域内可导，且，则在该邻域内．用上述存在两点不足：的一次多项式去近似表达函数(1) 精确度不高，它所产生的误差仅是比高阶的无穷小；(2) 用它做近似计算时，不能具体估算出误差大小．因此，在一些精度要求较高且要求估计误差的问题中，上述近似表达是满足不了要求的．这时我们就想，是否可以找到一个关于的更高次多项式去近似地表达函数小呢？这就是下面我们要解决的问题．*欧阳光明*创编设函数 在含有 的某个开区间2021.03.07内具有直到数，并设用于近似表达函数 的多项式为阶的导. (1)既然我们要用 去近似地表达 ，自然要求 在 处的函数 值及它的直到 阶的导数在 处的值依次与 ， 相等，即，，… ，．这样我们就得到了如下 个等式，，,…,，即， 将所求得的多项式，，…,．的系数 ， ,…, 代入(1)式，得. (2)下面的泰勒(Ｔaylor)中值定理告诉我们，多项式(2)就是我们要找的多项式，并且用它去近似表达函数 f(x),其误差的确变小了．泰勒中值定理 若函数 f(x)在含有 x 的某个开区间(a,b)内具有直到(n+1)阶的导数，则对任意 x,有f(x)=*欧阳光明*创编.(3)2021.03.07其中*欧阳光明*创编2021.03.07，(4)这里 是在 与 之间的某个值．由(2)式和(3)式知，，现在只要证明即可． 证 由假设知，数，且( 介于 与 之间) 在 内具有直到 阶的导函数 与. 在以 及 为端点的区间上满足柯西中值定理的条件，故有同样，函数 与 足柯西中值定理的条件，故有( 介于 与 之间). 在以 及 为端点的区间上也满( 介于 与 之间).继续对函数 与在以 及 为端点的区间上应用柯西中值定理，如此做下去，经过 次应用柯西中值定理后，得( 介于 与 之间，因而也在 与 之间).*欧阳光明*创编2021.03.07*欧阳光明*创编2021.03.07定理证毕．泰勒中值定理告诉我们，以多项式 近似表达函数 时，其误差为．如果对某个固定的 ，当时，，则有误差估计式， 及由此可见，当时，误差． 是比高阶的无穷小，即上述结果表明，多项式 的次数 越大，(5) 越小，用去近似表达 的误差就越小，是比 差是可估计的．高阶的无穷小，并且误泰勒公式不仅在近似计算中有着广泛的应用，而且它在级数理论和数值计算中也起着重要的作用，同学们一定要深刻地理解它．到此我们所提出的问题就解决了．多项式(2)称为函数 按的幂展开的 次泰勒多项式，公式(3)称为 按的幂展开的带有拉格朗日型余项的 阶泰勒公式，而 为拉格朗日型余项．的表达式(4)称当 时，泰勒公式变成拉格朗日中值公式( 介于 与 之间)． 因此，泰勒中值定理是拉格朗日中值定理的推广．*欧阳光明*创编2021.03.07*欧阳光明*创编2021.03.07在不需要余项的精确表达式时， 阶泰勒公式也可写成. (６) 的表达式(5)称为佩亚诺(Peano)型余项，公式(6)称为 按的幂展开的带有佩亚诺型余项的 阶泰勒公式． 在泰勒公式(3)中，如果取 ，则 在 0 与 之间．因此可令，从而泰勒公式变成简单的形式，即所谓带有拉格 朗日型余项的麦克劳林(Maclaurin)公式在泰勒公式(6)中，若取 公式为. (7) ，则带有佩亚诺型余项的麦克劳林由(7)和(8)可得近似公式.(8)误差估计式相应地变成.(9)例 1 写出函数 式．.(10)的带有拉格朗日型余项的 阶麦克劳林公*欧阳光明*创编2021.03.07*欧阳光明*创编解 因为2021.03.07，． 把这些值代入公式(7)，并注意到所以 ，便得. 由这个公式可知，若把 用它的 次泰勒多项式近似地表达为， 则所产生的误差为. 如果取 ，则无理数 的近似式为， 其误差例2 求 解 因为．当 时，可算出，其误差不超过 ．的带有拉格朗日型余项的 阶麦克劳林公式．,,，，*欧阳光明*创编,…,，,…,2021.03.07， 所以*欧阳光明*创编2021.03.07它们顺序循环地取四个数 ， ， ， ，于是令，按公式(7)得， 其中如果取 ，． ，则得近似公式这时误差为如果 分别取 和 ，则可得. 的 次和 次近似和，其误差的绝对值依次不超过 和．以上三个近似多项式及正弦函数的图形见图 4．由图 4 可见，当时，近似多项式的次数越高，其向函数逼近的速度就越快，这就是泰勒公式的精髓．类似地，我们还可以求出函数 日型余项的麦克劳林公式：和的带有拉格朗其中*欧阳光明*创编2021.03.07*欧阳光明*创编2021.03.07; ,其中；， 其中． 由以上带有拉格朗日型余项的麦克劳林公式，可很容易的得到 相应地带有佩亚诺型余项的麦克劳林公式，请同学们课后自己写出 来． 以上这些常见函数的麦克劳林公式要求同学们一定要熟记，以 便在今后使用时方便． 例 3 利用带有佩亚诺型余项的麦克劳林公式，求极限． 分析 利用带有佩亚诺型余项的麦克劳林公式求极限，就是把极 限中所涉及到的不是关于 的多项式的函数，都用麦克劳林公式来 表示，然后求其极限．在利用麦克劳林公式计算极限时，自变量 的变化过程一定得是趋于零，否则保证不了麦克劳林公式对原始函 数的良好近似．*欧阳光明*创编2021.03.07*欧阳光明*创编在本问题中，由于分式的分母2021.03.07，因此我们只需要将分子中的 和 分别用带有佩亚诺型余项的三阶麦克劳林公式表示即可，其中，． 为什么 和 要展成三阶麦克劳林公式，而不展成其它阶 的麦克劳林公式呢？这是因为用麦克劳林公式将分子展成关于 的 多项式后,分子分母中 的最高次幂一定要相等，以便运算．这一点 同学们今后一定要注意．解 其中仍是比 高阶的无穷小，因为． 总结 由于两个多项式之比的极限比较容易计算，所以人们经常 利用泰勒公式把两个复杂函数之比的极限问题转化为多项式之比的 极限问题．*欧阳光明*创编2021.03.07。