Example application of l'Hôpital's rule to f(x) = sin(x) and g(x) = −0.5x: the function h(x) = f(x)/g(x) is undefined at x = 0, but can be completed to a continuous function on all of R by defining h(0) = f′(0)/g′(0) = −2.
비록 우리가 전체에 x → c를 썼을지라도, 극한은, c가 I의 유한 끝점일 때, 역시 한-쪽 극한 (x → c+ 또는 x → c−)일 수 있습니다.
두 번째 경우에서, f가 무한대로 발산한다(diverges)는 가설은 증명에서 사용되지 않습니다 (증명 섹션의 끝에 있는 주의를 참조하십시오); 따라서 규칙의 조건이 위에서 처럼 통상적으로 말해지면, 규칙의 절차가 유효하기 위한 두 번째 충분 조건은 보다 간단하게 로 말할 수 있습니다.
인 가설은 문헌에서 가장 공통적으로 나타나지만, 일부 저자들은 어떤 딴곳에 다른 가설을 더함으로써 이 가설을 회피합니다. 하나의 방법[5]은 극한 함수가 아마도 c를 제외한 관련된 구간 위의 모든 곳에서 정의된다는 추가적인 요구-사항을 가진 함수의 극한을 정의하는 것입니다.[c] 또 다른 방법[6]은 f와 g 둘 다가 c를 포함한 구간 위의 모든 곳에서 미분-가능인 것을 요구하는 것입니다.
Requirement that the limit exist
다음 극한
이 존재한다는 요구-사항은 본질적입니다. 이 조건없이, 또는 는, 가 에 접근할 때, 약화되지-않는 진동을 나타낼 수 있으며, 그 경우에서 로피탈의 규칙은 적용할 수 없습니다. 예를 들어, 만약 , 및 이면, 다음입니다:
이 표현은, 가 로 갈 때, 극한에 접근하지 않는데, 왜냐하면 코사인 함수는 1과 −1 사이를 진동하기 때문입니다. 그러나 원래 함수로 작동하면, 는 존재하는 것을 보일 수 있습니다:
이와 같은 경우에서, 결론 지을 수 있는 모든 것은, 만약 f/g의 극한이 존재하면, 그것은 f′/g′의 하부 및 상부 극한 사이에 반드시 놓이도록, 다음인 것입니다:
(위의 예제에서, 이것은 참인데, 왜냐하면 1은 사실 0과 2 사이에 놓이기 때문입니다.)
Examples
다음은 지수 함수를 포함한 기본 예제이며, 그것은 x = 0에서 불확정 형식 0/0을 포함합니다:
이것은 0/0을 포함하는 좀 더 정교한 예제입니다. 로피탈의 규칙을 한 번 적용하면 여전히 불확정 형식의 결과를 낳습니다. 이 경우에서, 극한은 규칙을 세 번 적용함으로써 평가될 수 있을 것입니다:
다음은 0/0을 포함하는 예제입니다:
지수가 (만약 n이 정수이면) 영 또는 (만약 n이 분수이면) 음수가 될 때까지 로피탈의 규칙을 반복적으로 적용하여 극한이 영이라고 결론을 내립니다.
다음은 불확정 형식 0 · ∞를 포함하는 예제이며 (아래를 참조하십시오), 이것은 형태 ∞/∞로 다시-쓸 수 있습니다:
다음은 모기지 상환 공식(Mortgage repayment formula) 및 0/0을 포함하는 예제입니다. P를 원금 (대출 금액), r을 기간당 이자율 및 n을 기간의 숫자로 놓습니다. r이 영일 때, 기간 당 상환 금액은 입니다 (왜냐하면 오직 원금아 상환되기 때문입니다); 이것은 비-영 이자율에 대해 공식과 일치합니다:
우리는 다음 정리를 입증하기 위해 로피탈의 법칙을 역시 사용할 수 있습니다. 만약 f가 x의 이웃에서 두번-미분가능이면, 다음입니다:
때때로 로피탈의 규칙이 까다로운 방법으로 호출됩니다: x → ∞일 때 f(x) + f′(x)가 수렴하고 가 양 또는 음의 무한대로 수렴한다고 가정합니다. 그런-다음:
및 그래서, 가 존재하고 입니다.
결과는 는 양 또는 음의 무한대로 수렴하는 추가적인 가설없이 참을 유지하지만, 정당화는 그런-다음 불완전입니다.
Complications
때때로 로피탈의 규칙은 몇 가지 추가 단계가 적용되지 않으면 유한 숫자의 단계로 답으로 이어지지 않습니다. 예제는 다음을 포함합니다:
두 번 적용이 평가되는 원래 표현의 반환으로 이어질 수 있습니다:
이 상황은 를 치환하고 y가, x가 무한대로 갈 때, 무한대로 가는 것을 주목함으로써 처리될 수 있습니다; 이 치환과 함께, 이 문제는 규칙의 한번 적용으로 풀 수 있습니다:
대안적으로, 분자와 분모 둘 다는 에 의해 곱해짐으로써, 그 점에서 로피탈의 규칙은 즉시 성공적으로 적용될 수 있습니다:[7]
임의로 많은 숫자의 적용이 심지어 반복없이 답으로 결코 이어질 수 없습니다:
이 상황도 변수의 변환에 의해 처리될 수 있으며, 이 경우에서 :
다시한번, 대안적인 접근은 로피탈의 규칙을 적용하기 전에 에 의해 분자와 분모를 곱하는 것입니다:
로피탈의 법칙을 적용하고 분자와 분모의 h애 관한 도함수를 찾으면 예상처럼 n xn−1을 산출합니다. 어쨌든, 분자를 미분하면 입증된 바로 그 사실의 사용을 요구합니다. 이것은 선결문제 요구의 오류의 예제인데, 왜냐하면 우리는 증명의 과정 동안 입증해야 할 사실을 가정하지 않아야 하기 때문입니다.
Counterexamples when the derivative of the denominator is zero
근처에서 인 조건의 필요성은 오토 슈톨츠(Otto Stolz)에 기인하는 다음 반례에 의해 알 수 있습니다:[8] 및 으로 놓습니다. 그런-다음 일 때 에 대해 극한은 없습니다. 어쨌든,
1∞, 00, ∞0, 0 · ∞, 및 ∞ − ∞와 같은, 다른 불확정 형식은 로피탈의 규칙을 사용하여 때때로 평가될 수 있습니다. 예를 들어, ∞ − ∞를 포함하는 극한을 평가하기 위해, 두 함수의 차이를 몫으로 변환합니다:
여기서 로피탈의 규칙은 (1)로부터 (2)로 갈 때 적용되고 (3)에서 (4)로 갈 때 다시 적용됩니다.
로피탈의 규칙은 "지수를 아래로 이동"하는 로그(logarithm)를 사용하여 지수(exponents)를 포함하는 불확정 형식에 사용될 수 있습니다. 다음은 불확정 형식 00을 포함하는 예제입니다:
지수 함수는 연속(continuous)이기 때문에, 지수 함수(exponential function) 안에서 극한을 이동하는 것이 유효합니다. 이제 지수 는 "아래로 이동"되었습니다. 극한 은 불확정 형식 0 · ∞이지만, 위의 예제에서 보이는 것처럼, 로피탈의 법칙은 다음을 결정하기 위해 사용될 수 있습니다:
두 함수 모두 연속과 함께, 그의 x-좌표가 g(t)로 주어지고 그의 y-좌표가 f(t)로 주어지는 평면에서 곡선, 즉, 형식 [g(t), f(t)]의 점의 자취(locus)를 생각해 보십시오. f(c) = g(c) = 0을 가정합니다. t → c일 때 비율 f(t)/g(t)의 극한은 점 [g(c), f(c)] = [0,0]에서 곡선에 대한 접선의 기울기입니다. 점 [g(t), f(t)]에서 곡선에 대한 접선은 [g′(t), f′(t)]에 의해 제공됩니다. 로피탈의 규칙은 그런-다음 t = c일 때의 곡선의 기울기가, 이것이 정의되는 것에 제공되는, 곡선이 원점에 접근할 때 곡선에 대한 접선의 기울기의 극한이라고 말합니다.
f와 g를 일반적인 형식(General form) 섹션에서 가설을 만족시키는 함수로 놓습니다. 을 끝점 c를 가진 가설에서 열린 구간으로 놓습니다. 이 구간 위에 이고 g가 연속임을 고려하면, 은 g가 에서 비-영이 되도록 더 작은 것으로 선택될 수 있습니다.[d]
구간에서 각 x에 대해, 는 x와 c 사이의 모든 값에 걸쳐 변할 때, 및 를 정의합니다. (기호 inf 및 sup는 하한(infimum) 및 상한(supremum)을 나타냅니다.)
위의 f와 g의 미분-가능성으로부터, 코시의 평균 값 정리(Cauchy's mean value theorem)는 안의 임의의 두 구별되는 점 x와 y에 대해 을 만족하는 x와 y 사이의 가 존재함을 보증합니다. 결론적으로, 구간 안의 구별되는 x와 y의 모든 선택에 대해 입니다. 값 g(x)-g(y)는 구간에서 구별되는 x와 y에 대해 항상 비-영인데, 왜냐하면 만약 그것이 아니었다면, 평균 값 정리(mean value theorem)는 g' (p)=0을 만족하는 x와 y 사이의 p의 존재를 암시할 것입니다.
m(x)와 M(x)의 정의는 확장된 실수의 결과일 것이고, 그래서 값 ±∞를 취하는 것이 그들에게 가능합니다. 다음 두 경우에서, m(x)와 M(x)는 비율 f/g에서 경계를 설정할 것입니다.
경우 1에서, 조임 정리(squeeze theorem)는 가 존재하고 L과 같음을 확증합니다. 경우 2에서, 및 조임 정리는 인 것, 및 그래서 극한 은 존재하고 L과 같음을 다시 주장합니다. 이것이 입증되어야 하는 결과입니다.
경우 2에서 f(x)가 무한대로 발산한다는 가정은 증명 안에서 사용되지 않았습니다. 이것은 |g(x)|는, 만약 x가 c에 접근할 때, 무한대로 발산하고, f와 g 둘 다는 로피탈의 규칙에 대한 가설을 만족시키면, 추가적인 가정은 f(x)의 극한에 대해 필요하지 않다는 것을 의미합니다: 그것은 심지어 f(x)의 극한이 존재하지 않는 경우일 수 있습니다. 이런 경우에서, 로피탈의 정리는 실제로 체사로–슈톨즈의 결과입니다.[10]
|g(x)|가, x가 c에 접근할 때, 무한대로 발산하고 f(x)가 c에서 유한 극한으로 수렴할 때의 경우에서, 로피탈의 규칙은 적용-가능하지만, 절대적으로 필수적인 것은 아닌데, 왜냐하면 기본 극한 미적분은 x가 c에 접근할 때 f(x)/g(x)의 극한이 반드시 영이어야 한다는 것을 보여줄 것이기 때문입니다.
Corollary
로피탈의 규칙의 단순하지만 매우 유용한 결과는 미분 가능성에 대해 잘-알려진 기준입니다. 그것은 다음임을 말합니다: f가 a에서 연속이고, 가 아마도 를 제외하고 a를 포함하는 어떤 열린 구간에서 모든 x에 대해 존재한다고 가정합니다. 게다가, 가 존재한다고 가정합니다. 그런-다음 가 역시 존재하고, 다음입니다:
특히, f'는 a에서 역시 연속입니다.
Proof
함수 및 을 생각해 보십시오. a에서 f의 연속성은 임을 우리에게 말해줍니다. 게다가, 인데, 왜냐하면 다항 함수는 모든 곳에서 항상 연속이기 때문입니다. 로피탈의 규칙을 적용하면 임을 보여줍니다.
^In the 17th and 18th centuries, the name was commonly spelled "l'Hospital", and he himself spelled his name that way. However, French spellings have been altered: the silent 's' has been removed and replaced with the circumflex over the preceding vowel. The former spelling is still used in English where there is no circumflex.
^"Proposition I. Problême. Soit une ligne courbe AMD (AP = x, PM = y, AB = a [see Figure 130] ) telle que la valeur de l’appliquée y soit exprimée par une fraction, dont le numérateur & le dénominateur deviennent chacun zero lorsque x = a, c’est à dire lorsque le point P tombe sur le point donné B. On demande quelle doit être alors la valeur de l’appliquée BD. [Solution: ]...si l’on prend la difference du numérateur, & qu’on la divise par la difference du denominateur, apres avoir fait x = a = Ab ou AB, l’on aura la valeur cherchée de l’appliquée bd ou BD." Translation : "Let there be a curve AMD (where AP = X, PM = y, AB = a) such that the value of the ordinate y is expressed by a fraction whose numerator and denominator each become zero when x = a; that is, when the point P falls on the given point B. One asks what shall then be the value of the ordinate BD. [Solution: ]... if one takes the differential of the numerator and if one divides it by the differential of the denominator, after having set x = a = Ab or AB, one will have the value [that was] sought of the ordinate bd or BD."[2]
^The functional analysis definition of the limit of a function does not require the existence of this connected interval.
^Since g' is nonzero and g is continuous on the interval, it is impossible for g to be zero more than once on the interval. If it had two zeros, the mean value theorem would assert the existence of a point p in the interval between the zeros such that g' (p) = 0. So either g is already nonzero on the interval, or else the interval can be reduced in size so as not to contain the single zero of g.
^
The limits and both exist as they feature nondecreasing and nonincreasing functions of x, respectively.
Consider a sequence . Then , as the inequality holds for each i; this yields the inequalities
The next step is to show . Indeed, fix a sequence of numbers such that , and a sequence . For each i, choose such that , by the definition of . Thus as desired.
The argument that is similar.
References
^O'Connor, John J.; Robertson, Edmund F. "De L'Hopital biography". The MacTutor History of Mathematics archive. Scotland: School of Mathematics and Statistics, University of St Andrews. Retrieved 21 December 2008.
Chatterjee, Dipak (2005), Real Analysis, PHI Learning Pvt. Ltd, ISBN81-203-2678-4
Krantz, Steven G. (2004), A handbook of real variables. With applications to differential equations and Fourier analysis, Boston, MA: Birkhäuser Boston Inc., pp. xiv+201, doi:10.1007/978-0-8176-8128-9, ISBN0-8176-4329-X, MR2015447
Lettenmeyer, F. (1936), "Über die sogenannte Hospitalsche Regel", Journal für die reine und angewandte Mathematik, 174: 246–247, doi:10.1515/crll.1936.174.246
Wazewski, T. (1949), "Quelques démonstrations uniformes pour tous les cas du théorème de l'Hôpital. Généralisations", Prace Mat.-Fiz. (in French), 47: 117–128, MR0034430