background image

SIMR 2010/11, Analiza 1, wykład 6, 2010-11-16

Reguła de L’Hospitala

Twierdzenie: Niech f, g D → R , gdzie = (x

0

− , x

0

\ {x

0

będą funkcjami róż-

niczkowalnymi oraz ∀x ∈ D (g

0

(x6= 0) . Niech istnieją i są równe zeru granice: lim

x→x

0

(x) =

lim

x→x

0

g(x) = 0. Jeśli istnieje granica lim

x→x

0

f

0

(x)

g

0

(x)

to istnieje też granica lim

x→x

0

(x)

g(x)

b

Uwaga 1 Reguła de L’Hospitala umożliwia liczenie granic typu

0

0

poprzez obliczanie granic

ilorazu pochodnych.
Uwaga 2 Twierdzenie działa tylko w jedną stronę: jeżeli granica ilorazu pochodnych nie
istnieje to z tego nie wynika , że nie istnieje granica ilorazu funkcji.

Uwaga 3 Twierdzenie to można uogólnić na granice typu


oraz x

0

±∞ ±∞

Przykład: Obliczyć granicę:

lim

x→0

− cos x

sin x

2

Jest to granica typu

0

0

. Obliczamy granicę:

lim

x→0

f

0

(x)

g

0

(x)

= lim

x→0

sin x

2cos x

2

Jest to granica typu

0

0

. Obliczamy granicę:

lim

x→0

f

0

(x)

g

0

(x)

= lim

x→0

cos x

2 cos x

2

− 4x

2

sin x

2

=

1

2

Granica ta isnieje, a więc

lim

x→0

− cos x

sin x

2

=

1

2

Jezeli chcemy stosować regułę de L’Hospitala w przypadku innych symboli nieoznaczonych

musimy je najpierw przekształcić do symbolu

0

0

lub


Przykład: · ∞ Obliczyć granicę: lim

x→0

ln x

lim

x→0

ln = lim

x→0

ln x

1

x

=

H

lim

x→0

1

x

1

x

2

= lim

x→0

−x = 0

Przykład: ∞ − ∞ Obliczyć granicę: lim

x→0



1

x

1

sinh x



lim

x→0



1

x

1

sinh x



= lim

x→0

sinh x − x

sinh x

=

H

lim

x→0

cosh x − 1

sinh cosh x

=

H

lim

x→0

sinh x

cosh + cosh sinh x

=

1

2

Uwaga: Granice 1

0

,0

0

obliczamy przekształcając wyrażenie f

g

e

ln f

g

e

ln f

, a

następnie obliczając granicę ln typu 0 · ∞

Przykład: 1

Obliczyć granicę: lim

x→∞



2

π

arc tg x



x



2

π

arc tg x



x

e

ln

 

2

π

arc tg x

!

1

background image

lim

x→∞

ln



2

π

arc tg x



= lim

x→∞

ln



2

π

arc tg x



1
x

=

H

lim

x→∞

2

π(1 + x

2

)

2

π

arc tg x

1

x

2

= lim

x→∞

−x

2

(1 + x

2

) arc tg x

=

lim

x→∞

1

(

1

x

2

+ 1) arc tg x

2

π

stąd:

lim

x→∞



2

π

arc tg x



x

e

2

π

Wzór Taylora

Twierdzenie: Niech : (a, b→ R będzie funkcją różniczkowalną (+ 1) razy. Wtedy dla
dowolnych x, x

0

∈ (a, b) zachodzi:

(x) = (x

0

) +

f

0

(x

0

)

1!

(x − x

0

) +

f

00

(x

0

)

2!

(x − x

0

)

2

· · · +

f

(n)

(x

0

)

n!

(x − x

0

)

n

R

n

gdzie:

R

n

=

f

(n+1)

(c)

(+ 1)!

(x − x

0

)

n+1

dla pewnego c ∈ (x

0

, x)

Uwaga 1: Reszta R

n

=

f

(n+1)

(c)

(+ 1)!

(x − x

0

)

n+1

nazywa się resztą w postaci Lagrange’a.

Uwaga 2: Wzór Taylora przybliża dowolną funkcję za pomocą wielomianu stopnia .
Reszta R

n

jest błędem tego przybliżenia. Spośród wszystkich wielomianów stopnia wielo-

mian Taylora przybliża najlepiej funkcję w otoczeniu punktu x

0

.

Uwaga 3: O punkcie wiemy tylko, że leży pomiędzy x

0

x. W przypadku, gdy x < x

0

należy pisać c ∈ (x, x

0

)

Przykład: Napisać wzór Taylora dla funkcj e

x

w punkcie x

0

= 0 dla = 3. Korzystając

z niego obliczyć przybliżoną wartość e

0,1

i oszacować błąd przybliżenia.

(x) = (0) +

f

0

(0)

1!

+

f

00

(0)

2!

x

2

+

f

000

(0)

3!

x

3

R

3

gdzie:

R

3

=

f

IV )

(c)

4!

x

4

dla pewnego c ∈ (0, x)

Obliczamy:
(x) = e

x

(0) = 1

f

0

(x) = e

x

f

0

(0) = 1

f

00

(x) = e

x

f

00

(0) = 1

f

000

(x) = e

x

f

000

(0) = 1

f

IV

(x) = e

x

stąd:

e

x

= 1 +

1

1!

+

1

2!

x

2

+

1

3!

x

3

R

3

= 1 + +

x

2

2

+

x

3

6

R

3

gdzie

R

3

=

e

c

4!

x

4

dla pewnego c ∈ (0, x)

Wielomian przybliżający e

x

:

e

x

≈ 1 + +

x

2

2

+

x

3

6

e

0,1

≈ 1 + 01 +

001

2

+

0001

6

= 110516666 . . .

2

background image

Błędu przybliżenia nie możemy obliczyć dokładnie ponieważ nie znamy ¿ ożemy go jednak
oszacować.

|R

3

=




e

c

4!

x

4




=




e

c

4!

00001




c ∈ (001) a więc |e

c

e

0,1

3

|R

3

| <

3

24

00001 = 00000125

Oszacowanie błądu możemy zaokrąglić (zawsze w górę). Następnie zaokraglamy wynik i błąd
zaokrąglenia dodajemy do oszacowania błędu:
e

0,1

= 1105167 ± 0000014

Wartość dokładna e

0,1

= 1.105170918076 . . . mieści się w granicach błędu

Twierdzenie (Wzór Taylora z resztą w postaci Peano): Niech D → R będzie
funkcją mającą n-tą pochodną w punkcie x

0

∈ int D. Wtedy dla dowolnego x ∈ D zachodzi:

(x) = (x

0

) +

f

0

(x

0

)

1!

(x − x

0

) +

f

00

(x

0

)

2!

(x − x

0

)

2

· · · +

f

(n)

(x

0

)

n!

(x − x

0

)

n

R

n

(x)

gdzie:
R

n

(x) = ε(x)(x − x

0

)

n

oraz lim

x→x

0

ε(x) = 0

Przykład: Obliczyć granicę: lim

x→0

ln(1 + 2x− 2x

2

+ 2x

3

cos(x

2

− 1

Stosujemy wzór Taylora dla funkcji (x) = ln(1 + x) w x

0

= 0 , dla = 3:

(x) = ln(1 + x)

(0) = 0

f

0

(x) =

1

1 + x

f

0

(0) = 1

f

00

(x) = (1 + x)

2

f

00

(0) = 1

f

000

(x) = 2(1 + x)

3

f

000

(0) = 2

Stąd:

ln(1 + x) = x −

1

2

x

2

+

1

3

x

3

ε

1

(x)x

3

A więc

ln(1 + 2x) = 2x − 2x

2

+

8

3

x

3

ε

2

(x)x

3

Stosujemy wzór Taylora dla funkcji g(x) = cos(x) w x

0

= 0 , dla = 2:

g(x) = cos x

g(0) = 1

g

0

(x) = − sin x

g

0

(0) = 0

g

00

(x) = − cos x g

00

(0) = 1

Stąd:

cos = 1 

1

2

x

2

ε

3

(x)x

2

A więc

cos x

2

= 1 

1

2

x

4

ε

4

(x)x

4

Podstawiamy otrzymane wzory do granicy:

lim

x→0

ln(1 + 2x− 2x

2

+ 2x

3

cos(x

2

− 1

= lim

x→0

x



2x − 2x

2

+

8

3

x

3

ε

2

(x)x

3



− 2x

2

+ 2x

3

1

2

x

4

ε

4

(x)x

4

− 1

=

lim

x→0

x

4



8

3

ε

2

(x)



x

4



1

2



4

(x)



= lim

x→0

8

3

ε

2

(x)

1

2

ε

4

(x)

16

3

Uwaga: Wybranie odpowiedniego stopnia wielomianu zastępującego funkcję wymaga pew-
nej wprawy. Jeśli stopień ten będzie za mały, wtedy przy obliczaniu granicy pojawi się symbol
nieznaczony z nieznaną funkcją ε(x) i wtedy nie możemy obliczyć granicy. Należy wtedy po-

3

background image

wtórzyć obliczenia z wyższym stopniem wielomianu. Jeśli stopień będzie za duży - wtedy
dostaniemy obliczymy granicę, ale potrzeba więcej obliczeń. W powyższym przykładzie są
zastosowane wielomiany o najniższych stopniach umożliwiające obliczenie granicy.

4