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## **洛必达法则证明：**
1.$对于在(a,a+\delta)上连续可导函数f(x),g(x)，且g'(x)\neq0.如果\lim\limits_{x\to a^+}f(x)=0,\lim\limits_{x\to a^+}g(x)=0,$$且\lim\limits_{x\to a^+}\frac{f'(x)}{g'(x)}存在(或为无穷)，则$$$\lim\limits_{x\to a^+}\frac{f(x)}{g(x)}=\lim\limits_{x\to a^+}\frac{f'(x)}{g'(x)}(或无穷)$$
证明：令$$F(x)=\begin{cases}f(x),x\in(a,a+\delta) \\ 0,x=a\end{cases},G(x)=\begin{cases}g(x),x\in(a,a+\delta) \\ 0,x=a\end{cases},$$显然有$F(x),G(x)$在$[a,a+\delta)$上连续可导.$\forall x\in (a,a+\delta)$,由柯西中值定理，$\exists\xi\in(a,x)$，使得$$\frac{F(x)-F(a)}{G(x)-G(a)}=\frac{F'(\xi)}{G'(\xi)} \Rightarrow \frac{f(x)}{g(x)}=\frac{f'(\xi)}{g'(\xi)},$$令$\xi=a+\theta(x-a),\theta\in(0,1)$,故当$x\to a^+$时，$\xi\to a^+$，从而两边取极限得：
$$\lim\limits_{x\to a^+}\frac{f(x)}{g(x)}=\lim\limits_{\xi\to a^+}\frac{f'(\xi)}{g'(\xi)}=\lim\limits_{x\to a^+}\frac{f'(x)}{g'(x)}.$$得证.
2.类似地可以证明$x\to a^-,x\to a$的情况.若是$x\to +\infty$,则令$t=\frac{1}{x}$,则$t\to0^+$，从而$$\lim\limits_{x\to+\infty}\frac{f(x)}{g(x)}=\lim\limits_{t\to0+}\frac{f(1/t)}{g(1/t)}=\lim\limits_{t\to0^+}\frac{f'(1/t)\cdot(-\frac{1}{t^2})}{g'(1/t)\cdot(-\frac{1}{t^2})}=\lim\limits_{t\to0^+}\frac{f'(1/t)}{g'(1/t)}=\lim\limits_{x\to+\infty}\frac{f'(x)}{g'(x)};$$$x\to-\infty和x\to\infty$类似.
## **注意事项：**
1. 使用时需要在等号上方写明是用的什么类型的洛必达，$\frac{0}{0}$？$\frac{\infty}{\infty}$？
	例如：$\lim\limits_{x\to\infty}\frac{\mathrm{e}^{2x}+1}{\mathrm{e}^{2x}-1} \overset{\frac{\infty}{\infty}}{=}\lim\limits_{x\to\infty}\frac{2\mathrm{e}^{2x}}{2\mathrm{e}^{2x}}=1$

2. 先化简，再使用洛必达
	适当使用洛必达，不要一直用洛必达，有时用等价无穷小化简更方便$$\lim_{x \to 0} \frac{e^x-e^{-x}-2x}{\tan^{3}x}$$先利用等价无穷小，将 $\tan^{3}x$ 转化为 $x^3$ ，然后再使用洛必达

3. 在满足定理的某些情况下洛必达法则不能解决计算问题
	下面的例子就会导致反复变为倒数$$\lim_{x \to +\infty} \frac{\sqrt{1+x^2}}{x}$$

4. 必须要求分子分母的导数极限都存在
	例如$$\lim_{x \to +\infty} \frac{x+\sin x}{x}$$正确的办法是转换成两个极限相加。


>[!warning] 不能使用洛必达的的情况：
>1、必须要是$\frac{0}{0}$或$\frac{\infty}{\infty}$形式的，其他形式必须转化成前两种形式才能使用洛必达法则；
>2、必须要$\lim\frac{f'(x)}{g'(x)}$存在才能使用；
>3、一些特殊的函数可能会无法使用洛必达，比如$\lim\limits_{x\to\infty}\frac{x}{\sqrt{x^2+1}}$.

>[!tips] 运用洛必达法则解决其他不定式问题的流程：
$$\boxed{\infty-\infty}\overset{通分}{\Longrightarrow}\boxed{\frac{0}{0}或\frac{\infty}{\infty}}\overset{取倒数}{\Longleftarrow}\boxed{0\cdot\infty}\overset{取对数}{\Longleftarrow}\boxed{0^0或1^{\infty}或\infty^0}$$

## **例题**

>[!example]  求下列极限
>(1)$\lim\limits_{x\to1}(1-x^2)\tan{\frac{\pi}{2}x}$;   (2)$\lim\limits_{x\to0}\frac{1}{x^2}-\frac{1}{x\tan x};(3)\lim\limits_{x\to0}(x^2+2^x)^{\frac{1}{x}}.$

解：
(1)用等价无穷小：$$原式\overset{t=x-1}{=}-\lim\limits_{t\to0}t(t+2)\tan{\frac{\pi}{2}(t+1)}=2\lim\limits_{t\to0}\frac{t}{\tan{\frac{\pi}{2}t}}=\frac{4}{\pi}.$$
用洛必达：$$原式=\lim\limits_{x\to1}\frac{1-x^2}{\cot{\frac{\pi}{2}x}}\overset{\frac{0}{0}}{=}\frac{2}{\pi}\lim\limits_{x\to1}\frac{-2x}{-\csc^2{\frac{\pi}{2}x}}=\frac{4}{\pi}.$$
(2)$$原式=\lim\limits_{x\to0}\frac{\tan x-1}{x^2\tan x}=\lim\limits_{x\to0}\frac{\tan x-x}{x^3}\overset{\frac{0}{0}}{=}\lim\limits_{x\to0}\frac{\sec^2x-1}{3x^2}=\lim\limits_{x\to0}\frac{\tan^2x}{3x^2}=\frac{1}{3}.$$
(3)$$\begin{aligned}原式&=\lim\limits_{x\to0}\mathrm{e}^{\frac{1}{x}\ln{(x^2)+2^x}}\\\\&=\mathrm{e}^{\lim\limits_{x\to0}\frac{\ln{(x^2+2^x)}}{x}}\\\\&\overset{\frac{0}{0}}{=}\mathrm{e}^{\lim\limits_{x\to0}\frac{2x+2^x\ln2}{x^2+2^x}}\\\\&=\mathrm{e}^{\ln2}=2.\end{aligned}$$

>[!example] 例题
>设$f(x)$在$[0,1]$内二阶可导，且满足$$f(0)=0,f(1)=1,f(\frac{1}{2})>\frac{1}{4}.$$证明：
>(1)至少存在一点$\xi\in(0,1)$,使得$f''(\xi)<2$;
>(2)若$\forall x\in(0,1)$,有$f''(x)\neq2$,则当$x\in(0,1)$时，恒有$f(x)>x^2$.

证明：
（1）令$F(x)=f(x)-x^2$,则$F(0)=F(1)=0,F(\frac{1}{2})>0$.显然$F(x)$在$[0,\frac{1}{2}]$和$[\frac{1}{2},1]$上都满足拉格朗日中值定理得条件，所以由拉格朗日中值定理得：$$\exists\xi_1\in(0,\frac{1}{2}),\xi_2\in(\frac{1}{2},1),有\frac{F(\frac{1}{2})-F(0)}{\frac{1}{2}-0}=F'(\xi_1)>0,\frac{F(1)-F(\frac{1}{2})}{1-\frac{1}{2}}=F'(\xi_2)<0,$$于是再对$F(x)$在$[\xi_1,\xi_2]$上用拉格朗日中值定理得：$$\exists\xi\in(\xi_1,\xi_2),有F''(\xi)=\frac{F(\xi_2)-F(\xi_1)}{\xi_2-\xi_1}<0,即f''(\xi)<2.$$
（2）用反证法，假设$\exists \eta\in(0,1),f(\eta)\le \eta^2,则F(\eta)\le 0$,