待定型极限和 L ' H o s pi t a l 法则
lim
x
a x a x a x a
b x b x b x b
n
n
n
n
m
m
m
m


1
1
1 0
1
1
1 0
=
a
b
n m
n m
n m
n
n
,,
,,
,,

0
我们将这种类型的极限称为
待定型,简称
型。
待定型极限除了
型以外,还有
0
0
型、
0
型、∞? ∞型、
0
型、
1?
型、
0 0
型等几种。我们先讨论如何求
0
0
型和
型的极限,其余几种类型的极限都可以化成这两种类型进行计算。
§ 2 L’Hospital 法则定理 5,2,1 ( L ' H o s p i ta l 法则) 设函数
)( xf

)( xg

],( daa?
上可导 ( d 是某个正常数 ),且
0)( xg
。 若此时有
lim ( ) lim ( )
x a x a
f x g x

0

lim ( )
x a
g x


,

lim
( )
( )x a
f x
g x
存在(可以是有限数或∞),则成立
lim
( )
( )
lim
( )
( )x a x a
f x
g x
f x
g x

证 这里仅对
lim
( )
( )x a
f x
g x
= A 为有限数时来证明。
先证明
lim ( ) lim ( )
x a x a
f x g x

0
的情况。
补充定义
0)()( agaf
,则
)( xf

)( xg

daa?,
上连续,在
daa?,
上满 足 C a u c hy 中值定理的条件,因而对于任意
),( daax
,存在
),( daa
,满足
( ) ( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( ) ( )
f x f x f a f
g x g x g a g




当 x a 时显然有
a
。两端令 x a,即有
)(
)(
lim
)(
)(
lim
)(
)(
lim
xg
xf
g
f
xg
xf
axaax?


下面证明
lim ( )
x a
g x


时的情况。
f x
g x
f x f x
g x
f x
g x
( )
( )
( ) ( )
( )
( )
( )
0 0
)(
)(
)()(
)()(
)(
)()(
0
0
00
xg
xf
xgxg
xfxf
xg
xgxg

)(
)(
)()(
)()(
)(
)(
1
0
0
00
xg
xf
xgxg
xfxf
xg
xg


于是,
A
xg
xf
)(
)(
A
xg
xf
xgxg
xfxf
xg
xg


)(
)(
)()(
)()(
)(
)(
1
0
0
00
)(
)()(
)()(
)()(
)(
)(
1
00
0
00
xg
xAgxf
A
xgxg
xfxf
xg
xg?



因为
lim
( )
( )x a
f x
g x
= A,所以对于任意
0
,存在
0
(
d
),当
0 xa
时,

A
xg
xf
)(
)(


0xa
,由 C a u c hy 中值定理,对于任意
),( 0xax?
,存在
),(),( 0 aaxx
满足
0
0
( ) ( ) ()
( ) ( ) ( )
f x f x f
g x g x g


,
于是得到


A
g
f
A
xgxg
xfxf
)(
)(
)()(
)()(
0
0

又因为
lim ( )
x a
g x


,所以可以找到正数

,当
0 xa
时,成立


)(
)()(
,2
)(
)(
1
000
xg
xAgxf
xg
xg

综 上所 述,即知对于任意 0,存在 0,当 0 xa 时,
A
xg
xf
)(
)(
)(
)()(
)()(
)()(
)(
)(
1
00
0
00
xg
xAgxf
A
xgxg
xfxf
xg
xg?


23,
所以
lim
( )
( )
lim
( )
( )x a x a
f x
g x
A
f x
g x


证毕以上结论在 ax,ax? 或x (包括 + ∞和 - ∞)时都是成立的。
例 5,2,1 求
2
0
2c o s1
l i m
x
x
x

解 这是
0
0
型。
因为
2
c o ss in2
)(
)2c o s1(
2


x
xx
x
x

0?x
),由 L 'H o s p i t a l 法则,就可以得到
2
2c o s1
l i m
2
0
x
x
x

一般可以写成如下格式,
22
00
0 0 0
1 c os 2 ( 1 c os 2 )
l im l im
()
2 si n c os si n
l im 2 l im l im c os 2.
xx
x x x
xx
xx
x x x
x
xx




例 5.2.2 求
π
a r c ta n
2
l im
1
s in
x
x
x


解 由 L ' H os p it a l 法则得,
π
a r c ta n
2
l im
1
s in
x
x
x



2
2
11
c o s
1
1
lim
xx
x
x
.1
1
lim
1
c o slim
1
2
2


x
x
x
x
x
若使用了 L 'H o s p i t a l 法则之后,所得到的
lim ( )( )
x a
f x
g x
仍是 0
0
型或
型,并且函数 )( xf? 和 )( xg? 依然满足定理 5,2,1 的条件,那么可以再次使用 L 'H o s p i t a l 法则,讨论
lim ( )( )
x a
f x
g x


的极限情况,依次类推,直到求出极限为止。
例 5,2,3 求
30
t a nl i m
x
xx
x

解 这是 0
0
型,由 L 'H o s p i t al 法则
2
2
030 3
s e c1limt a nlim
x
x
x
xx
xx


(仍是 0
0
型,再用 L 'H o s p i t a l 法则)
x
xx
x 6
t a ns e c2lim 2
0

30
1 s in 1 1l im ( ),
3 c o s 3x
x
xx?

若使用了 L 'H o s p i t a l 法则之后,所得到的
lim ( )( )
x a
f x
g x
仍是 0
0
型或
型,并且函数 )( xf? 和 )( xg? 依然满足定理 5,2,1 的条件,那么可以再次使用 L 'H o s p i t a l 法则,讨论
lim ( )( )
x a
f x
g x


的极限情况,依次类推,直到求出极限为止。
例 5,2,4 求
lim
ex
a
bx
x

(
0a?
,
0b?
) 。
解 这是
型。设
[ ]a n
(记号
[ ]x?
表示不小于 x 的最小整数),
反复使用 L 'H o s p i t a l 法则 n 次,即有
.0
e
)1()2)(1(
lim
e
)1(
lim
e
lim
e
lim
2
21







bxnan
x
bx
a
x
bx
a
x
bx
a
x
bx
naaaa
b
xaa
b
xax
这说明当 x 的时候,指数函数 xa ( a? 1 )与任何次数的幂函数 nx 相比,都是更高阶的无穷大量。同样可以导出,
xnal o g
(
1a?
) 与任何次数的幂函数 x? (
0
) 相比,都是更低阶的无 穷大量。
可化为 0
0
型或
型的极限前面已经指出,0 型、∞? ∞型,? 0 型,1? 型,0 0 型等类型的极限都可以化成 0
0
型或
型,下面对每一种类型举出一个例子。
⑴ 0 型可化成 1

型或 1
0
0
型,即
型或 0
0
型。
例 5,2,5 求
lim ln
x
x x
0

解 这是 0 型,将其转化为

lim ln lim
ln
x x
x x
x
x

0 0 1

再由 L 'H o s p i t a l 法则得上式

lim
x
x
x
0
2
1
1
.0)(lim
0


x
x
可化为 0
0
型或
型的极限前面已经指出,0 型、∞? ∞型,? 0 型,1? 型,0 0 型等类型的极限都可以化成 0
0
型或
型,下面对每一种类型举出一个例子。
⑴ 0 型可化成 1

型或 1
0
0
型,即
型或 0
0
型。
⑵ 型可化成
0
1
0
1
型,再通分变成
0
00?
型,即
0
0
型。
例 5,2,6 求
x
x
x
1
c o tlim
0

解 这是 型,先对它通分,
x
x
x
1
c o tlim
0

xx
x
x
1
s in
c o s
li m
0

lim
cos s in
s inx
x x x
x x0
,
现在它已被转变成
0
0
型了。
由 L 'H o s p i t a l 法则得
x
x
x
1
c o tlim
0


lim
( co s s in )
( s in )x
x x x
x x0
xxx
xxxx
x c o ss i n
c o ss i nc o s
lim
0?

0
c o s
s i n
1
lim
0

x
x
x
x
x

⑶? 0 型,1? 型,0 0 型极限
lim ( ) ( )f x g x
可以通过对数恒等式统一化成
()l n ( ) ( ) l n ( ) l i m ( ) l n ( )l i m e l i m e egxf x g x f x g x f x
这里的 )(ln)(l im xfxg 已成为 0 型,于是便可用例 5,2,5 所示的方法来求出极限。
例 5,2,7 求
limx xx0

解 这是 00 型。将其改写为
limx xx0lim e eln lim lnx x x x xx0 0,
由例 5,2,5 知
lim lnx x x0 0
。于是
limx xx0
e lim lnx x x0e 0 1 。
⑶? 0 型,1? 型,0 0 型极限
lim ( ) ( )f x g x
可以通过对数恒等式统一化成
()l n ( ) ( ) l n ( ) l i m ( ) l n ( )l i m e l i m e egxf x g x f x g x f x
这里的 )(ln)(l im xfxg 已成为 0 型,于是便可用例 5,2,5 所示的方法来求出极限。
例 5.2.8 求
lim ln
x
x
x0
1

解 这是 0? 型,将其改写为
.eeli m
1
lnli m
1
lnlnl i m
1
lnln
00
0 x
x
x
x
x
x
x
x
x


由 L ' Hos p i ta l 法则得
1
1
0 0 0 0
2
111
l n l n
ln1
l im l n l n l im l im l im 0
1 ln
1
x
x x x x
x
x xx
x
x
x
x










于是
lim ln e e
lim ln ln
x
x
x
x
x
x


0
1
0
1
10 。
例 5.2,9 求
tan
π
2
l i m (si n )
x
x
x


解 这是?1 型,将其改写为
π
2
l im ta n l n s in
ta n ta n l n s in
π π
22
l im ( s in ) l im e e,
x
xx
x x x
xx
x



由 L ' Hos p i ta l 法则得
π π
22
2
π
2
( l n s in )
l im ta n l n s in l im
( c o t )
c o s
l im 0
s in ( c s c )
xx
x
x
xx
x
x
xx




于是
π
2
l im ta n l n s in
ta n
π
2
l im ( s in ) e
x
xx
x
x
x


e 0 1 。
最后,指出使用 L 'H o s p i t a l 法则时要注意的两个问题。
第一,当 lim ( )
( )x a
f x
g x
不是 0
0
型或
型时,不能使用 L 'H o s p i t a l 法则,
否则将会造成错误。
例 5.2.1 0 求
π
2
1 s i n
l i m
1 c o sx
x
x?

解 这不是
0
0
型,也不是
型,它的极限为
π
2
π
1 s in
1 s in
2
l im 2
π1 c o s
1 c o s
2
x
x
x?


若不问情况地贸然使用 L ' Hos p it a l 法则,
x
x
x c o s1
s i n1
l im
2
π?
x
x
x s i n
c o s
l i m
2
π
0,
就会得出不正确的结果。因此,每次使用 L ' Hos p i ta l 法则之前都必须对极限的类型加以检验。
最后,指出使用 L 'H o s p i t a l 法则时要注意的两个问题。
第一,当 lim ( )
( )x a
f x
g x
不是 0
0
型或
型时,不能使用 L 'H o s p i t a l 法则,
否则将会造成错误。
第二,L 'H o s p i t a l 法则只告诉我们,对于
0
0 型或
型,当 lim ( )
( )x a
f x
g x
存在时,它的值等于
lim ( )( )
x a
f x
g x
。那么这是否意味着,当
lim ( )( )
x a
f x
g x
不存在时,
lim ( )( )
x a
f x
g x
也不存在呢?请看下面的例子。
例 5,2,1 1 求
x
xx
x
c o s
lim


解 这是
型,但我们并不能 根据当x 时
x
x
xx
s i n1
)c o s(


的极限不存在,就错误地得出
x
xx
x
c o s
lim

也不存在的结论 —— 事实上,
显然有
1
c o s
l i m?
x
xx
x

因此,
lim
( )
( )x a
f x
g x
不存在并不表示
lim
( )
( )x a
f x
g x
不存在,它仅仅意味着,
此时不能使用 L 'H o s p i t a l 法则,而应改用其他方法来讨论
lim
( )
( )x a
f x
g x

第二,L 'H o s p i t a l 法则只告诉我们,对于
0
0 型或
型,当 lim ( )
( )x a
f x
g x
存在时,它的值等于
lim ( )( )
x a
f x
g x
。那么这是否意味着,当
lim ( )( )
x a
f x
g x
不存在时,
lim ( )( )
x a
f x
g x
也不存在呢?请看下面的例子。