L'Hôpital's rule Theorem


Download 1.14 Mb.
Pdf ko'rish
Sana04.11.2020
Hajmi1.14 Mb.
#140809
Bog'liq
L20


L'Hôpital's rule

Theorem

Let 


f

,

g



 : (a,b) 

™

 



R

 be two functions of class C



n

, with n


³

1, on the open interval (a,b). Let x

0

 be a


point of (a,b) such that

(i)    


f

(x

0



) = 0,  

f

HkL



(x

0

) = 0,   k = 1, ... , n-1;



(ii)   

g

(x



0

) = 0,  


g

HkL

(x

0

) = 0,   k = 1, ... , n-1;



(iii)  

g

HnL



(x

0



¹

 0.


Then

                                                                 Lim



x®x

0

fHxL



gHxL

 = 


f

HnL

Hx

0

L



g

HnL

Hx

0

L



 .

Proof

Since  


g

HnL

(x

0



¹

 0 and  


g

HnL

  is a contiuous function, we may assume without loss of generality that

g

HnL



(x) 

¹

 0, for every x. Then, by Taylor's theorem, there is some open interval (x



0

-



,x

0

+



)

Ì



(a,b),

such that

f

(x)=


f

(x

0



) + 

f

 '(x



0

)(x - x


0

) + 


1

2

f



 ''(x

0

)(x - x



0

)

2



 + ... + 

1

Hn-



1

L!

f



 

Hn-

1

L

(x



0

)(x - x


0

)

n-

1

+O

n



(x - x

0

) =



O

n

(x - x


0

)

where  O



n

(x - x


0

) is a continuous function such that

 Lim

x®x

0

O



n

Hx-x

0

L

Hxx



0

L

n

 = 

f

 



HnL

(x

0



)

and 


g

(x) =  


g

(x

0



) + 

g

 '(x



0

)(x - x


0

)  +  


1

2

g



 ''(x

0

)(x - x



0

)

2



 + ... + 

1

Hn-



1

L!

g



 

Hn-

1

L

(x



0

)(x - x


0

)

n-

1

 + O'


n

(x -


x

0

) = O'



n

(x - x


0

)

where O'



n

(x - x


0

) is a continuous function such that

 Lim

x®x

0

O

'

n

Hx-x

0

L

Hx-x



0

L

n

 = 

g

 



HnL

(x

0



¹

 0.



 Lim

x®x

0

O

'

n

Hx-x

0

L

Hx-x



0

L

n

 = 

g

 



HnL

(x

0



¹

 0.



Then, 

   Lim


x®x

0

fHxL



gHxL

 =        =    Lim



x®x

0

O



n

Hx-x

0

L

O



'

n

Hx-x

0

L

 =    Lim



x®x

0

J



O

n

Hx-x

0

L

Hx-x



0

L

n

·

Hx-x



0

L

n



O

'

n

Hx-x

0

L



N

 =

f



HnL

Hx

0

L

g



HnL

Hx

0

L

 .



 

à

Example

Evaluate the limit

 Lim


x®

0

Exp



Ix

2

M -



1

Sin


Ix

2

M



.

 

f



 (x) = Exp(x

2

) - 1 and  



g

(x) = Sin(x

2

)

-



1.0

-

0.5



0.5

1.0


1.2

1.4


1.6

1.8


2.0

à

Then



  

g

' (x) = 2xCos(x



2

),        

g

''(x) = 2Cos(x



2

) - 4x


2

Sin(x


2

Þ



 

g

''(0) = 2 



¹

 0.


2

 

  L20.nb



and

  

f



 ' (x) = 2

ã

x



2

x,      


f

 ''(x) = 2

ã

x

2



+

4

ã



x

2

x



2

 

Þ



 

f

''(0) = 2 



Thus

  Lim


x®

0

Exp



Ix

2

M -



1

Sin


Ix

2

M



 = 1.

Example

Evaluate the limit

 Lim

x®

0

Cos



HxL -

1

x

2

.

f



 (x) = Cos(x)-1 and  

g

(x) = x



2

.

-



20

-

10



10

20

-



0.5

-

0.4



-

0.3


-

0.2


-

0.1


à

Then


g

' (x) = 2x,     

g

''(x) = 2 



Þ

 

g



''(0) = 2 

¹

 0



L20.nb  

 

3



and

 

f



 ' (x) = -Sin(x),    

f

 ''(x) = -Cos(x) 



Þ

 

f



''(0) = -1 .

Therefore

   Lim

x®

0

Cos



HxL -

1

x

2

. = -1/2


Then 

Cos(x) - 1 

»

 (1/2)x


2

 as x 


®

 0.


 What about the possible asymptotes ? 

 Lim


x®¥

 (

Cos



HxL -

1

x

2

.)/x = Lim



x®¥

 

Cos



HxL -

1

x

. = 0 &  Lim

x®¥

 (

Cos



HxL -

1

x

2

) = 0 .


then the horizontal axis is an horizontal asymptote for x 

®¥

.



Example

Evaluate the limit

3) Lim

x®

1

H-



1

M

3



Log

HxL

.

0.5


1.0

1.5


2.0

2.5


3.0

1

2



3

4

5



6

7

4

 

  L20.nb


à

 

f



 (x) = (x -1)

3

 and  



g

(x) = Log(x)

Then

 

g



' (x) = 1/x  

Þ

 



g

''(1) = 1 

¹

 0.


and

f

 ' (x) = 3(x -1)



2

  

Þ



   

f

 ''(1) = 0.



Therefore

 Lim


x®

1

H-



1

M

3



Log

HxL

 = 0.

Tangent line, convexity, concavity and inflection points

Summary

Let 


f

 : I 


™

 

R



 be a differentiable function defined on the open interval I.

i) If 


f

 is increasing (resp. decreasing) on I, then 

f

 '(x)


³

0, for every x 

Î

 I  (resp. 



f

 '(x)


b

0, for every x 

Î

I)

ii) If  



f

 '(x)


³

0  (resp. 

f

 '(x)


b

0), for every x 

Î

 I  then 



f

 is increasing (resp. decreasing) on I.

iii) If 

f

 '(x)>0 (resp. 



f

 '(x)<0), for every x 

Î

 I  then 



f

 is strictly increasing (resp. strictly decreasing) on

I.

iv) If  


f

 '(x


0

) = 0 and 

f

 ''(x


0

) > 0 then x

0

 is a local minimum.



v) If  

f

 '(x



0

) = 0 and 

f

 ''(x


0

) < 0 then x

0

 is a local maximum.



vi) If  

f

 '(x



0

) = 0, 


f

 ''(x


0

) = 0 and 

f

 '''(x


0

¹



 0 then x

0

 is a horizontal inflection point.



Definition

L20.nb  

 

5



Let 

f

 : I 



™

 

R



 be a differentiable function defined on the open interval I and let x

0

Î



I. We denote by

 

G



f

 = {(x,


f

(x)) : x 

Î

 I} 


Ì

 

R



2

the graph of  

f

 and by  T(



G

f

)|



x

0

 the tangent line to 



G

f

 at the point (x



0

,

f



(x

0

)), defined by the equation



y = 

f

(x



0

) + 


f

 '(x


0

)(x - x


0

)  


Example

f

@

x_

D

:

=

H

x

-

2

L H

x

+

3

L H

x

-

5

L

;

a :

= -

5; b :

=

8;

h1 :

=

10; h2 :

=

40; h :

=

120;

AR :

=

1



2;

Program

Fig

@

5

D

-

4



-

2

2



4

6

8



-

150


-

100


-

50

50



100

150


200

à

Remark

Given h 

¹

 0 such that x



0

+h 


Î

 I, we consider the line L(h) passingh through the points (x

0

,

f



(x

0

)) and



(x

0

+h,



f

(x

0



+h)). When h 

®

 0, then  L(h) tends to the tangent line  T(



G

f

)|



x

0

.



6

 

  L20.nb



f

@

x_

D

:

=

H

x

-

2

L H

x

+

3

L H

x

-

5

L

;

a :

= -

5; b :

=

8;

h1 :

=

10; h2 :

=

40; h :

=

120;

AR :

=

1



2;

Program

Fig

@

4, 2

D

-

4



-

2

2



4

6

8



-

150


-

100


-

50

50



100

150


200

Fig

@

4, 1

D

-

4



-

2

2



4

6

8



-

150


-

100


-

50

50



100

150


200

L20.nb  

 

7



Fig

@

4, 0.001

D

-

4



-

2

2



4

6

8



-

150


-

100


-

50

50



100

150


200

à

Definition

Let 

f

 : I 



™

 

R



 be a differentiable function defined on the open interval I and let x

0

Î



I.  The half space

strictly above the tangent line  T(

G

f

)|



x

0

 is denoted by H



+

(

f



,x

0

) and similarly the half space strictly



below the tangent line  T(

G

f



)|

x

0

 is denoted by H



-

(

f



,x

0

). They are defined by the inequalities



H

+

(



f

,x

0



) = {(x,y) 

Î

 



R

2

 : y - 



f

(x

0



) - 

f

 '(x



0

)(x - x


0

) > 0}


and

H

-



(

f

,x



0

) = {(x,y) 

Î

 

R



2

 : y - 


f

(x

0



) - 

f

 '(x



0

)(x - x


0

) < 0}


Example

f

@

x_

D

:

=

H

x

-

2

L H

x

+

3

L H

x

-

5

L

;

a :

= -

5; b :

=

8;

h1 :

=

10; h2 :

=

40; h :

=

120;

AR :

=

1



2;

Program

8

 

  L20.nb



Fig

@-

4

D

-

4



-

2

2



4

6

8



-

150


-

100


-

50

50



100

150


200

à

Definition

Given a function 

f

 : I 



™

 

R



, a point x

0

Î



I and an open neighbourhooh (x

0

-



Ε

, x


0

+

Ε



Ì

 I we denote by



G

f

(x



0

,

Ε



) the portion of the graph 

G

f



 given by

 

G



f

(x

0



,

Ε

) = {(x,



f

(x)) : x 

Î

 (x


0

-

Ε



, x

0

+



Ε

)} 


Ì

  

G



f

.

The function 



f

 : I 


™

 

R



 is 

convex

 at x


0

Î

I if there is a neighbourhood (x



0

-

Ε



, x

0

+



Ε

Ì



 I such that

 

G



f

(x

0



,

Ε

) = {(x, 



f

(x)) : x 

Î

 (x


0

-

Ε



, x

0

+



Ε

)} 


Ì

 H

+



(

f

,x



0

).

We say that 



f

 is 


stricly convex

 if (x,


f

(x)) 


Î

 H

+



(

f

,x



0

), for every x 

Î

 (x


0

-

Ε



, x

0

+



Ε

) such that x 

¹

 x

0



.

Example

f

@

x_

D

:

=

H

x

-

2

L H

x

+

3

L H

x

-

5

L

;

a :

= -

5; b :

=

8;

h1 :

=

10; h2 :

=

40; h :

=

120;

AR :

=

1



2;

Program

L20.nb  

 

9



Fig

@

3, 3

D

-

4



-

2

2



4

6

8



-

150


-

100


-

50

50



100

150


200

à

Definition

The function 

f

 : I 



™

 

R



 is 

concave

 at x


0

Î

I if there is a neighbourhood (x



0

-

Ε



, x

0

+



Ε

Ì



 I such that

 

G



f

(x

0



,

Ε

) = {(x,



f

(x)) : x 

Î

 (x


0

-

Ε



, x

0

+



Ε

)} 


Ì

 H

-



(

f

,x



0

).

We say that 



f

 is 


stricly concave

 if (x,


f

(x)) 


Î

 H

-



(

f

,x



0

), for every x 

Î

 (x


0

-

Ε



, x

0

+



Ε

) such that x 

¹

 x

0



.

Definition

Given a function 

f

 : I 


™

 

R



 we say that x

0

Î



I is an inflection point (or flex point) if there is an open

neighbourhood  (x

0

-

Ε



, x

0

+



Ε

Ì



 I such that either

(i)   (x,

f

(x))


Î

 H

-



(

f

,x



0

),  


"

Î



 (x

0

-



Ε

, x


0

]  and  (x,

f

(x))


Î

 H

+



(

f

,x



0

), 


"

 x 


Î

 [x


0

, x


0

+

Ε



)

or else


(ii)   (x,

f

(x))



Î

 H

+



(

f

,x



0

),  


"

Î



 (x

0

-



Ε

, x


0

]  and  (x,

f

(x))


Î

 H

-



(

f

,x



0

), 


"

 x 


Î

 [x


0

, x


0

+

Ε



)

In the first case  x

0

 is an 


ascending inflection point

 and in the second case  x

0

 is a 


descending

inflection point

.

Example



10

 

  L20.nb



f

@

x_

D

:

= -

H

x

-

2

L H

x

+

3

L H

x

-

5

L

;

a :

= -

5; b :

=

8;

h1 :

=

10; h2 :

=

40; h :

=

120;

AR :

=

1



2;

Program

Fig

@

4



3, 4



3

D

-

4



-

2

2



4

6

8



-

200


-

150


-

100


-

50

50



100

150


à

à

Theorem

If 

f

  : I 



™

 

R



 is function having first and second order derivatives on I and let x

0

 



Î

 I be a point of the

domain of definition, then :

i) if 


f

 is convex at  x

0

 

”



 there is an open neighbourhood (x

0

-



, x


0

+



Í

 I  such that 



f

''(x) 


³

 0 for


every x 

Î

 (x



0

-



, x

0

+



);

ii) if  there is an open neighbourhood (x



0

-



, x

0

+



Í



 I  such that 

f

''(x) 



³

 0 for every x 

Î

 (x


0

-



,

x

0



+



”

   


f

  

f



 is convex at x

0

;



iii) if there is an open neighbourhood (x

0

-



, x


0

+



Í

 I  such that 



f

''(x) > 0 for every x 

Î

 (x


0

-



,

x

0



+



”

   


f

  

f



 is strictly convex at x

0

;



Theorem

L20.nb  

 

11



If 

f

  : I 



™

 

R



 is function having first and second order derivatives on I and let x

0

 



Î

 I be a point of the

domain of definition, then :

i) if is 

f

 concave at  x



0

 

”



 there is an open neighbourhood (x

0

-



, x


0

+



Í

 I  such that 



f

''(x) 


£

 0 for


every x 

Î

 (x



0

-



, x

0

+



);

ii) if  there is an open neighbourhood (x



0

-



, x

0

+



Í



 I  such that 

f

''(x) 



£

 0 for every x 

Î

 (x


0

-



,

x

0



+



”

   


f

  

f



 is concave at x

0

;



iii) if there is an open neighbourhood (x

0

-



, x


0

+



Í

 I  such that 



f

''(x) < 0 for every x 

Î

 (x


0

-



,

x

0



+



”

   


f

  

f



 is strictly concave at x

0

;



Theorem

If 


f

  : I 


™

 

R



 is function having first and second order derivatives on I and let x

0

 



Î

 I be a point of the

domain of definition, then :

i) if  x


0

 is an inflection point  

”

  

f



''(x

0

) = 0;



ii) if  there is an open neighbourhood (x

0

-



, x


0

+



Í

 I  such that 



f

''(x) 


£

 0 for every x 

Î

 (x


0

-



, x

0

)



and 

f

''(x) 



³

 0 for every x 

Î

 (x


0

-



, x

0

) then x



0

 is an ascending flex point.

iii) if  there is an open neighbourhood (x

0

-



, x


0

+



Í

 I  such that 



f

''(x) 


³

 0 for every x 

Î

 (x


0

-



, x

0

)



and 

f

''(x) 



£

 0 for every x 

Î

 (x


0

-



, x

0

) then x



0

 is a descending flex point.



Example

Let consider the hyperbolic tangent

Tanh(x) = 

Sinh


HxL

Cosh


HxL

 = 


ex

-

e

-

x

e

x

+

e

-

x

 = 


e

2

-

1

e

2

+

1

-

10



-

5

5



10

-

1.0



-

0.5


0.5

1.0


12

 

  L20.nb



 

Problem 1

 : show that Tanh(x) is strictly increasing.

DTanh(x) = 

DSinh


HxL

Cosh


HxL

 - 


Sinh

HxL

DCosh

HxL



Cosh

HxL

2

 =  


Cosh

HxL

2

-

Sinh



HxL

2

Cosh



HxL

2

  = 



1

Cosh


Hx

M

2



  > 0.

Problem 2

 : find the asymptotes of Tanh(x) when x 

®

 ±

¥



They are the horizontal lines y = 1 and y = -1 respectively (Why?) so Im(Tanh(x)) = (-1,1). Need to

compute 


m = Lim

x®±¥

 

fHxL



x

 = 0,  q = Lim



x®±¥

 (

f



(x) - mx) = ±1

Problem 3

 : find Tanh

-

1

(x). 



y = 

e

2

x

-

1

e



2

x

+

1



 

Þ

 (



e

2

x

+

1)y = 


e

2

x

-



”



 e

2

x

(y - 1) = - (1+y) 

”

 



”

 e

2



x

 =  


1

+

y

1

-

y



 

”

 x = 



1

2

 Log



K

1

+



y

1

-



y

O

 



”

  

”



  x = Tanh

-

1



(y) = 

1

2



 Log

K

1



+

y

1

-



y

O

Problem 4

 : show that Tanh(x) is strictly convex for x < 0, strictly concave for x > 0 and x = 0 is a

descending inflection point.

D

2

Tanh(x) =  D(



1

Cosh


Hx

M

2



  )  = - 2  

Sinh


HxL

Cosh


HxL

3

Since Cosh(x) > 0, for every x and



Sinh(x) = 

:

<

0 if

<

0,

0



if

=

0,

>



0 if

>

0

then



D

2

Tanh(x) =  



:

>

0 if



<

0,

0



if

=

0,

<

0 if

>

0.

L20.nb  

 

13


D

2

Tanh(x) =  



:

>

0 if



<

0,

0



if

=

0,

<

0 if

>

0.

using theorem 18.2.7 we get the result.



14

 

  L20.nb



Download 1.14 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:




Ma'lumotlar bazasi mualliflik huquqi bilan himoyalangan ©fayllar.org 2024
ma'muriyatiga murojaat qiling