跳转至

面向高中生の洛必达法则简述

Note

本文原作者:JustPureH2O

原文地址:https://justpureh2o.cn/articles/16596/


作为一名在导数领域摸爬滚打多年的高中牲,又怎能不知道高贵的洛必达法则呢?今天从高考角度出发,简要介绍洛必达法则作为解选填题的奇技淫巧的策略。

引入

先用一个典例来引入洛必达法则:

定义函数 \(f(x)=e^x\),且 \(f(x)\geq ax+1\)\(x\in[0,+\infty)\) 上恒成立,求 \(a\) 的取值范围。

解法一(正解):端点效应

问题转化为:“\(e^x-ax-1\geq0\)\(x\geq0\) 时恒成立,求 \(a\) 的范围”。

不难发现,新函数 \(h(x)=e^x-ax-1\) 满足 \(h(0)=0\)。我们的目标就是让这个新函数恒在 \(x\) 轴上方,考虑 \(h(x)\)\(x=0\) 时的导数大于等于零——即函数在 \([0,+\infty)\) 上单调递增,即可满足题目要求。这个方法叫做端点效应法,可以用来导出满足题目要求的一个必要条件(充分性需另外证明)、或者是收缩答案的可能范围,减少复杂的分类讨论。

因此列出式子:\(h^\prime(0)\geq0\) 解得 \(a\leq1\)

证明充分性,当 \(a\leq1\) 时,\(h(x)=e^x-ax-1\geq e^x-x-1=e^x-(x+1)\)。由于 \(e^x\geq x+1\) 恒成立,原不等式恒大于等于零,即 \(h^\prime(x)\geq0\)\([0,+\infty)\) 上恒成立,\(h(x)\)\([0,+\infty)\) 上单调递增。又因为 \(h(0)=0\),所以 \(h(x)\geq0\) 恒成立,原不等式得证。

\(a>1\)\(h(x)<e^x-(x+1)\),不能保证结果恒大于等于零,原不等式不成立。综上,\(a\in(-\infty,1]\)

解法二:洛必达法则

考虑分离参数,得 \(a\leq\frac{e^x-1}{x}\),令 \(h(x)=\frac{e^x-1}{x}\)。由题意知,需满足 \(a\leq h(x)_{min}\)

\(h(x)\) 求导,得 \(h^\prime(x)=\frac{(x-1)e^x+1}{x^2}\),此时不容易看出正负,因为分母恒大于等于零,设函数 \(\varphi(x)=(x-1)e^x+1\),对其求导得 \(\varphi^\prime(x)=xe^x\geq0\)。因此 \(h(x)\)\([0,+\infty)\) 上单调递增。

于是 \(a\leq h(x)_{min}=h(0)=\frac{0}{0}\)。由洛必达法则得 \(a\leq1\),则取值范围是 \((-\infty,1]\)

洛必达法则

讲个笑话:洛必达法则不是洛必达提出的,而是伯努利最先发现的

首先我们要搞清楚洛必达法则的适用条件(非常非常重要,必须要知道葛军究竟是怎么出题卡掉洛必达做法的):

不定式

to do sth.

分为两种类型,分别对应数字的两个极端。

\(\boldsymbol{0/0}\)不定式:即 \(\frac{0}{0}\),零除以零。

\(\boldsymbol{\infty/ \infty}\)不定式:即 \(\frac{\infty}{\infty}\),无穷大除以无穷大。

要想使用洛必达,式子必须是以上两种不定式的其中一种(正负均可)。如果你发现原始函数并不满足如上的不定式形式,则可以选择求一次导,化成如上的不定式形式。

对于两个函数 \(f(x)\)\(g(x)\),若 \(\frac{f(x)}{g(x)}\) 是一个不定式,那么不定式的值等于 \(\frac{f^\prime(x)}{g^\prime(x)}\),即分子分母求导相除。

后话

无不良引导

其实,洛必达法则就这么些内容。很少,用来秒选择填空题还是可以的。大题如果实在证不出来可以考虑用这个伪证(前提是一个字都证不出来、且所在省份会给部分分数),当然这里还是建议使用正解端点效应法。我的忠告是:平时周考月考在班内秀一下就好了,市里全省大考千万不要用!

评论