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定理証明済み

ロピタルの定理

内容

f,gf,g が aa の近くで(aa 自身を除き)微分可能で、その近くで g′(x)≠0g'(x)\neq 0 であり、lim⁡x→af(x)=lim⁡x→ag(x)=0\lim_{x\to a} f(x)=\lim_{x\to a}g(x)=0 であるか、または両方が ±∞\pm\infty に発散するとする。lim⁡x→af′(x)g′(x)\lim_{x\to a}\frac{f'(x)}{g'(x)} が存在する(あるいは ±∞\pm\infty である)ならば、lim⁡x→af(x)g(x)=lim⁡x→af′(x)g′(x)\lim_{x\to a}\frac{f(x)}{g(x)} = \lim_{x\to a}\frac{f'(x)}{g'(x)} が成り立つ。

なぜ正しいのか?

2つの量がともに0に縮んでいく「0/0」の引き分けのような状況では、その大きさではなく、消えていく際の相対的な速さこそが比の極限を決める——(導関数で測って)「より速く」縮む方が支配的になる。

証明の概略

(0/00/0 の場合)f(a)=g(a)=0f(a)=g(a)=0 とおいて f,gf,g を拡張し、両者を aa で連続にする。xx が aa に近いとき、aa と xx の間の区間で f,gf,g にコーシーの平均値定理を適用すると、aa と xx の間のある ξ\xi に対して f(x)−f(a)g(x)−g(a)=f′(ξ)g′(ξ)\frac{f(x)-f(a)}{g(x)-g(a)}=\frac{f'(\xi)}{g'(\xi)} となる。x→ax\to a のとき ξ→a\xi\to a でもあるから、f(x)g(x)=f′(ξ)g′(ξ)→lim⁡t→af′(t)g′(t)\frac{f(x)}{g(x)}=\frac{f'(\xi)}{g'(\xi)}\to \lim_{t\to a}\frac{f'(t)}{g'(t)} となる。∞/∞\infty/\infty の場合も、より繊細だが同様の評価から従う。

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ステップごとの証明

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参考文献

  1. Guillaume François Antoine de L'Hôpital (1696). Analyse des infiniment petits, pour l'intelligence des lignes courbes
  2. Carl B. Boyer (1968). A History of Mathematics