函數極限的計算_計算機程序化實現的理論基礎

  • 2020 年 9 月 18 日
  • 筆記

從整式\(f(x)\)的趨向角度來看主要分為趨於0和趨於\(\infty\),均有不同的適用方法:

a) 當\(f(x)\rightarrow0\)時,我們在整體上可以利用「帶有皮亞諾余項的的麥克勞林展開」。至於怎樣實現化成可以利用的形式,在\(x\)趨向不同值的時候略有不同,不過最後都能化簡成\(h(x)\rightarrow0\)時有\(g(x)\rightarrow0\)

(1)當\(x\rightarrow0\)時有\(f(x)\rightarrow0\),這個就直接用「帶有皮亞諾余項的的麥克勞林展開」;

(2)當\(x\rightarrow C\)\(C\)為非零常數)時有\(f(x)\rightarrow0\),那麼總能找到一個關於\(x\)的函數\(h(x)\),滿足當\(x\rightarrow C\)的時候\(h(x)\rightarrow0\)。這裡的\(h(x)\)就是「張宇の小狗」。此時將\(h(x)\)視為一個新的變量,將\(f(x)\)化為關於\(h(x)\)的函數\(g(h(x))\)。令\(t=h(x)\),這樣就變成如下形式了:當\(t\rightarrow0\)時有\(f(x)=g(h(x))\Rightarrow g(t)\rightarrow0\);

(3)當\(x\rightarrow\infty\)時有\(f(x)\rightarrow0\),此時運用倒代換,令\(t=\frac{1}{x}\),即有當\(t\rightarrow0\)時有\(f(x)=g(\frac{1}{x})\Rightarrow g(t)\rightarrow0\);

b) 當\(f(x)\rightarrow\infty\)時,我想我們就只能用「洛必達法則」了。因為如果一個函數\(f(x)\)\(x\rightarrow0\)時趨向於\(\infty\),那麼這個函數在\(x=0\)點處就不可能有定義,既然都沒有定義了,談何「帶有皮亞諾余項的的麥克勞林展開」?

(1)當\(x\rightarrow C\)\(C\)為非零常數)時有\(f(x)\rightarrow\infty\),那麼總能找到一個關於\(x\)的函數\(h(x)\),滿足當\(x\rightarrow C\)的時候\(h(x)\rightarrow0\)。即轉換為\(h(x)\rightarrow0\)時,\(g(h(x))\rightarrow\infty\);

(2)當\(x\rightarrow\infty\)時有\(f(x)\rightarrow\infty\),這個時候如果我們想要利用「帶有皮亞諾余項的的麥克勞林展開」,就必須讓找到一個「張宇の小狗」,讓它趨於0。這是我們就可以找「倒代換」令\(t=\frac{1}{x}\),此時\(t\rightarrow0\),但令人倍感遺憾的是\(f(x)=g(\frac{1}{x})\Rightarrow g(t)\rightarrow\infty\),又回到最初的起點…;

既然這個方法不行那就說明「帶有皮亞諾余項的的麥克勞林展開」這種方法在\(f(x)\rightarrow\infty\)時是失效的,只能用「洛必達法則」了。

【補充】關於「洛必達法則」

(1)當\(f(x)\rightarrow\infty\)時,即從導數的角度看「洛必達法則」:就是函數值比不出來了,那就比趨向速度,如果一階趨向速度比不出來就比二階、三階…一直到比出來為止;

(2)當\(f(x)\rightarrow0\)時,即從泰勒展開式的角度看「洛必達法則」:就是求上下倆函數的「最低階係數之比」,上下同時求導就是為了降冪,看誰先降為常數(這裡比的就是兩者的最低階),如果分子先則結果為無窮大,反之分母先則為無窮小;

(3)在2中的「最低階係數之比」在「帶有皮亞諾余項的的麥克勞林展開」方法中亦稱之為「展開至同階」。需要注意的是:這裡的「同階」並不是嚴格意義上的同階,是可以通過乘上無窮小量來製造的,只不過比值可能會為0或者\(\infty\);

(4)由於有2的存在,所以得出結論:「帶有皮亞諾余項的的麥克勞林展開」方法可以解決的問題均可在理論上通過「洛必達法則」實現。為什麼說是理論上呢?因為如果函數複雜的話,求導也是一件相當困難的事,不過趕緊尋找「張宇の小狗」,然後將其換元化成簡單函數,這也許是一個不錯的選擇。不過令人頭大的是,「洛必達法則」規定上下同時對\(x\)求導,即對同一變量求導,這就擋住了「洛必達法則」的光明前程,因為上下的「張宇の小狗」很難是同一隻。所以只能說理論上可以,實際上則非常不現實;

\(\qquad\)但是上述的分類顯然是有缺陷的,因為它僅僅只是適用於當\(f(x)\)是一個整式,不能包含分式和加減法運算。所以這裡需要補充加減法的運算法則:

a) 忽略因階數問題而小的量;

(1)含有無窮大參與的運算:忽略低階無窮大、常數以及無窮小量;

(2)沒有無窮大參與的運算:如果有常數參與則忽略無窮小量,否則見3;

(3)只有無窮小參與的運算:忽略高階無窮小量,若是其中有常數參與,只保留常數;

【補充】

(1)這裡的常數比一般意義上的常數範圍更廣,包含3類:函數值在該趨向點處為非零常數的函數、極限在該點趨向時為非零常數的函數以及非零常數;

(2)通常震蕩有界函數都會和一個無窮小的量相乘,變成一個無窮小的量,然後被當做高階無窮小本捨棄。原因就是震蕩函數不好求導,這樣既不能用「帶有皮亞諾余項的的麥克勞林展開」也不能用「洛必達法則」,故而已經出現就要想方設法將它拋棄;

b) 當為同階時;

(1)兩個無窮大異號時,通過倒代換\(t=\frac{1}{x}\)構造分母為\(\beta\cdot t^\alpha\),分子則為一個關於\(t\)的無窮小;

(2)兩無窮小異號時,遵循「冪次最低異係數」原則。該法則的解釋如下:如果\(A,B\rightarrow0\),則\(A-B\)應由低階向高階同時逐階展開,如果階數不同則見a.3,否則直至同階時的係數不同或者階數不同。

【補充】無窮小的構造分式

(1)無窮小不一定兩個都是無窮小,可能只是相加減的結果為無窮小(不是未定式,而是定式),換句話說就是當函數複雜到「b.2」以及「張宇の小狗」也找不到的時候,即無法利用「帶有皮亞諾余項的的麥克勞林展開」時。比如當兩個根式相減時,可以用分子有理化構造出一個分式,這時分母極限不趨於零,分子去掉了最外層的根號,這樣就簡單了許多;