∞的極限到底是什麼解?圖解洛必達法則!

01 開場白

在學習洛必達法則之前,我們都會先接觸到極限的夾逼定理。在夾逼定理的學習中,最經典的例子就是:

0/0,∞/∞的極限到底是什麼解?圖解洛必達法則!

上式中就是典型的 0/0 形式。

洛必達法則(法語:Règle de L'Hôpital,英語:L'Hôpital's rule)是利用導數來計算具有不定型的極限的方法,由瑞士數學家約翰·伯努利所發現。

維基百科

02 洛必達法則

定義:若兩函數 f(x), g(x)在以 x = c 為斷點的開區間可微,並且 g'(x) ≠ 0。

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洛必達法則

為了說的明白些,我們先構造兩個函數 f(x) = x - 1 g(x) = -cot(πx/2)

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圖1:洛必達法則(一)

上圖可以看出,在 x = 1 處,f(1) = g(1) = 0

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讓我們稍作變換:

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推導過程

那麼,怎麼去找一個簡單的解釋去理解這個概念呢?最後,我還是想結合物理知識對洛必達法則進行解釋。

03 洛必達法則的物理解釋

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圖2:洛必達法則(二)

我們再一次請出紅藍小球進行賽跑。這一次的跑道已經規定好了。

假設紅色和藍色曲線分別為紅藍小球 距離~時間 的關係曲線。

這時候,我們回過頭來看:

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  • f(x) 即表示為 藍球 相對於 x軸 的距離;
  • g(x) 即表示為 紅球 相對於 x軸 的距離;

那麼,f(x) / g(x) 則是藍、紅小球在 相同時間 內運動的距離比

距離 = 平均速度 * 時間

所以,f(x) / g(x) = 藍球平均速度 / 紅球平均速度

在上例中,洛必達法則可以理解為我們需要找到在 x = 1 附近的極短時間 dx 內的平均速度比。

引入積分無限分割的思想:

時間段 x ~ x + dx 內,平均速度 = 時間點x的瞬時速度;

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知道這層關係之後,我們在來看兩個小球賽跑的過程。

開始時,紅球距離 x軸 比藍球遠很多;隨時時間越來越靠近 x = 1,紅球迎頭趕上並同時到達。

也就是說,在 x = 1 時刻,紅色和藍色小球所處的位置是一樣的,但是內在狀態是不一樣的。就如同奧運短跑冠軍和你我同處起跑線,但是奧運冠軍體內定然有著超越你我的瞬時爆發力。

04 洛必達法則說人生

微積分的學習過程可以體會很多人生道理。比方說 A: f(x) 和 B: g(x) 的人生走到了盡頭,回顧一生。

f(x) / g(x) : 表示一生的成就比較,由於A和B年齡相仿,f(x) / g(x)也可以理解為 一生中 A 和 B的平均努力程度,假設A是世界首富,B只是工薪階層。那麼,我們可以總結A的平均努力程度一定大於B。

但是,當我們將時間定格在人生的某一個節點上的時候,lim( f(x) / g(x) ),結果則未可知。

  • 有的人晃盪半生,一朝開竅,發憤圖強。
  • 有的人順風順水,不思進取,逐漸沉淪

那麼,洛必達法則是不是可以理解為,任何時候努力都來得及,只要你還活著呢!

05 洛必達法則的由來

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洛必達此人嚴格意義上說是一個“沒有天賦,但是異常努力的數學家”。他出生在法國中世紀的貴族家庭,酷愛數學,師承大名鼎鼎的伯努利。但終其一生並沒有實質性成果。

據傳,洛必達法則其實是洛必達的老師伯努利的學術論文。由於伯努利生活落魄,學生洛必達就提出了金錢換知識產權的方案,成功從伯努利那買到了洛必達法則。這一交易如果屬實,那伯努利著實虧大發了。

同時,洛必達曾語出驚人,他說:“

人這輩子一共會死三回:

第一次是你的心臟停止跳動,生物學角度上的死亡;

第二次是在葬禮上,認識你的人都來祭奠,社會關係和地位角度的死亡;

第三次是最後一個記得你的人死後,真正的死亡;

想來確實很有道理,之前看過一部電影叫:Coco。

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人死後的靈魂會在世上最後一個記得你的人死後而消失,或許編劇的靈感來源於洛必達吧。

06 總結

這次扯得有點多。

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