انتقل إلى المحتوى
Topos Uranos

ملخص

يبرهن هذا الدرس قاعدة لوبيتال: إذا آلت ff وgg إلى 00، أو آلت gg إلى اللانهاية، وكان لخارج قسمة مشتقتيهما نهاية، فإن لخارج القسمة fg\frac{f}{g} النهاية نفسها. ويطبّق البرهان مبرهنة كوشي في التزايدات المنتهية المعمّمة، من الدرس الماضي، على فترة أحد طرفيها ثابت والآخر متغير؛ أما الحالة التي يؤول فيها المقام إلى اللانهاية فتتطلب حجة أدق، لا تشترط شيئًا على البسط. وتصحّ القاعدة من جهة واحدة لنقطة، وعند النقطة، وعند اللانهاية، ويمكن تطبيقها عدة مرات متتالية: وبذلك تُحسب نهاية f(x)−f(a)(x−a)n\frac{f(x) - f(a)}{(x - a)^n} عندما تنعدم المشتقات الأولى لـff عند aa. وتُردّ حالات عدم التعيين 0⋅∞0 \cdot \infty و∞−∞\infty - \infty و1∞1^\infty و000^0 و∞0\infty^0 إلى خارج قسمة. ويبيّن الدرس أيضًا متى لا تنطبق القاعدة أو لا تحسم، ولماذا لا تصلح للنهايات التي حُسبت بها المشتقات، وكيف تُجمع مع الدوال المتكافئة اللامتناهية في الصغر.

أهداف التعلم

  1. برهان قاعدة لوبيتال لحالتي عدم التعيين 00\frac{0}{0} و∞∞\frac{\infty}{\infty}، من جهة واحدة لنقطة، وعند النقطة، وعند اللانهاية، انطلاقًا من مبرهنة كوشي في التزايدات المنتهية المعمّمة.
  2. حساب نهايات حالات عدم التعيين بردّها إلى خارج قسمة، وتطبيق القاعدة عدة مرات، مع التحقق من فرضياتها في كل تطبيق.
  3. التعرّف على الحالات التي لا تنطبق فيها القاعدة أو لا تحسم: نهايات ليست حالات عدم تعيين، وخوارج قسمة مشتقات بلا نهاية، ومشتقات للمقام تنعدم قرب النقطة، والنهايات التي يفترضها حساب المشتقات.
  4. الجمع بين القاعدة والدوال المتكافئة اللامتناهية في الصغر وجبر النهايات، واختيار أقصر طريق في كل حالة.

الحالة صفر على صفر

تشترط نتيجة نهاية خارج القسمة، من الدرس الخاص بـجبر النهايات، أن تكون للمقام نهاية مختلفة عن الصفر. فإذا آل البسط والمقام كلاهما إلى 00، أمكن أن يؤول خارج القسمة إلى أي عدد، أو إلى اللانهاية، أو ألا تكون له نهاية: 3xx\frac{3x}{x} يؤول إلى 33، وx2x\frac{x^2}{x} يؤول إلى 00، وxsin⁡1xx\frac{x \sin \frac{1}{x}}{x} ليست له نهاية عند 00. ولهذا يقال إن 00\frac{0}{0} حالة عدم تعيين: نهاية كل حد لا تعيّن نهاية خارج القسمة. وقد حلّ الدرس الخاص بـالدوال المتكافئة اللامتناهية في الصغر وفي الكبر كثيرًا من هذه النهايات، بتعويض كل عامل بعامل مكافئ له من جدوله؛ لكن فرقًا مثل x−sin⁡xx - \sin x ليس جداء عوامل من الجدول، ولا يمكن تعويض حدوده.

وتقترح المشتقة طريقًا آخر. إذا كان f(a)=g(a)=0f(a) = g(a) = 0، وكانت ff وgg قابلتين للاشتقاق عند aa، وكان g′(a)≠0g'(a) \neq 0، فإن قسمة البسط والمقام على x−ax - a تحوّل خارج القسمة إلى خارج قسمة نسبتي تزايد، وتعطي نتيجة نهاية خارج القسمة:

f(x)g(x)=f(x)−f(a)x−ag(x)−g(a)x−a→f′(a)g′(a)\frac{f(x)}{g(x)} = \frac{\frac{f(x) - f(a)}{x - a}}{\frac{g(x) - g(a)}{x - a}} \to \frac{f'(a)}{g'(a)}

لكن كثيرًا ما يكون g′(a)g'(a) أيضًا صفرًا، أو لا تكون ff وgg معرّفتين عند aa. وتجعل قاعدة لوبيتال، بدلًا من قيمتي المشتقتين عند aa، نهايةَ خارج قسمتهما قرب aa. والأداة هي مبرهنة كوشي في التزايدات المنتهية المعمّمة، من الدرس الخاص بـمبرهنات فيرما ورول ولاغرانج وكوشي: إذا كانت ff وgg متصلتين على [a,b]\icc{a}{b}، مع a<ba < b، وقابلتين للاشتقاق عند كل نقطة من (a,b)\ioo{a}{b}، وكان g′(x)≠0g'(x) \neq 0 من أجل كل xx من (a,b)\ioo{a}{b}، فإن g(b)≠g(a)g(b) \neq g(a) ويوجد cc في (a,b)\ioo{a}{b} بحيث f(b)−f(a)g(b)−g(a)=f′(c)g′(c)\frac{f(b) - f(a)}{g(b) - g(a)} = \frac{f'(c)}{g'(c)}. وخلافًا لتطبيقين لمبرهنة لاغرانج، يعطيان نقطتين مختلفتين، تعطي مبرهنة كوشي نقطة واحدة للبسط والمقام معًا.

مبرهنةقاعدة لوبيتال للحالة صفر على صفر

ليكن a<ba < b، ولتكن ff وgg دالتين قابلتين للاشتقاق عند كل نقطة من (a,b)\ioo{a}{b}، مع g′(x)≠0g'(x) \neq 0 من أجل كل xx من (a,b)\ioo{a}{b}. ولنفترض أن f(x)f(x) وg(x)g(x) تؤولان إلى 00 عندما x→a+x \to a^+، وأن

lim⁡x→a+f′(x)g′(x)=L\lim_{x \to a^+} \frac{f'(x)}{g'(x)} = L

حيث LL عدد حقيقي، أو ∞\infty أو −∞-\infty. عندئذ g(x)≠0g(x) \neq 0 من أجل كل xx من (a,b)\ioo{a}{b}، و

lim⁡x→a+f(x)g(x)=L\lim_{x \to a^+} \frac{f(x)}{g(x)} = L

نكمل ff وgg بالقيمة 00 عند aa، ونطبّق مبرهنة كوشي على [a,x]\icc{a}{x}: خارج القسمة f(x)g(x)\frac{f(x)}{g(x)} خارج قسمة تزايدين، يساوي خارج قسمة المشتقتين عند نقطة بين aa وxx. ويُظهر الرسم، مع f(x)=sin⁡xf(x) = \sin x وg(x)=ex−1g(x) = e^x - 1 وa=0a = 0، النقاط (g(t),f(t))\left(g(t), f(t)\right): خارج القسمة f(x)g(x)\frac{f(x)}{g(x)} هو ميل الوتر الذي يصل المبدأ بالنقطة المقابلة لـxx، وخارج قسمة المشتقتين عند cc هو ميل المماس الموازي له.

البرهان

  1. F(a)=G(a)=0,F′(t)=f′(t),G′(t)=g′(t)≠0,a<t<xF(a) = G(a) = 0, \qquad F'(t) = f'(t), \quad G'(t) = g'(t) \neq 0, \qquad a < t < x

    لتكن FF وGG الدالتين اللتين تساويان ff وgg على (a,b)\ioo{a}{b} وتساويان 00 عند aa. وليكن xx من (a,b)\ioo{a}{b}. الدالتان متصلتان على [a,x]\icc{a}{x}: عند aa، لأن نهايتيهما من اليمين تساويان 00؛ وعند باقي النقاط، بمبرهنة أن قابلية الاشتقاق تستلزم الاتصال، من الدرس الخاص بـالمشتقة بوصفها نهاية. وهما قابلتان للاشتقاق عند كل نقطة من (a,x)\ioo{a}{x}، بمشتقتي ff وgg، بتوطئة الطابع المحلي للمشتقة، من الدرس الخاص بـقواعد الاشتقاق.

  2. f(x)g(x)=F(x)−F(a)G(x)−G(a)=f′(c)g′(c),a<c<x\frac{f(x)}{g(x)} = \frac{F(x) - F(a)}{G(x) - G(a)} = \dato{c}{\frac{f'(c)}{g'(c)}}, \qquad a < c < x

    بمبرهنة كوشي في التزايدات المنتهية المعمّمة على [a,x]\icc{a}{x}، يكون G(x)≠G(a)G(x) \neq G(a)، أي g(x)≠0g(x) \neq 0، ويوجد cc بين aa وxx بحيث يكون خارج قسمة التزايدين هو خارج قسمة المشتقتين عند cc.

  3. a<x<a+δ→∣f(x)g(x)−L∣=∣f′(c)g′(c)−L∣<εa < x < a + \delta \rightarrow \abs{\frac{f(x)}{g(x)} - L} = \abs{\frac{f'(c)}{g'(c)} - L} < \resaltar{\varepsilon}

    ليكن LL حقيقيًا وليكن ε>0\varepsilon > 0. بتعريف النهاية من اليمين، من الدرس الخاص بـالنهايات من جهة واحدة، يوجد δ>0\delta > 0، يمكن أخذه أصغر من b−ab - a أو مساويًا له، بحيث ∣f′(t)g′(t)−L∣<ε\abs{\frac{f'(t)}{g'(t)} - L} < \varepsilon إذا كان a<t<a+δa < t < a + \delta. فإذا كان a<x<a+δa < x < a + \delta، فإن النقطة cc من المرحلة الثانية تحقق a<c<x<a+δa < c < x < a + \delta. وإذا كان L=∞L = \infty، فإن الحجة نفسها مع تحدٍّ NN تعطي f(x)g(x)>N\frac{f(x)}{g(x)} > N؛ وإذا كان L=−∞L = -\infty، فإنها تعطي f(x)g(x)<N\frac{f(x)}{g(x)} < N.

لا حاجة إلى معرفة كيف يتعلق cc بـxx، ولا إلى أن يكون وحيدًا: يكفي أن يقع بين aa وxx. وتُشترط الفرضية g′≠0g' \neq 0 على الفترة (a,b)\ioo{a}{b} كلها، لأن مبرهنة كوشي تستعملها على كل [a,x]\icc{a}{x}؛ وبما أن النهاية لا تتعلق إلا بالقيم القريبة، يكفي إيجاد فترة (a,b)\ioo{a}{b} تتحقق عليها، مهما كانت صغيرة. ولا يكفي، في المقابل، أن تنعدم مشتقة المقام في نقاط معزولة فقط تتراكم عند النقطة، أو غير محدودة إذا آل المتغير إلى اللانهاية، كما تُظهر المسألة المحلولة 5. وإذا كانت ff وgg معرّفتين على مجموعة أوسع، طُبّقت المبرهنة على مقصورَيهما على (a,b)\ioo{a}{b}، اللذين لهما النهاية نفسها من اليمين عند aa.

ويصحّ الأمر نفسه من اليسار، مع فترة (b,a)\ioo{b}{a}، b<ab < a، وx→a−x \to a^-: يكفي تطبيق المبرهنة على f(−t)f(-t) وg(−t)g(-t) قرب −a-a من اليمين، بقضية الانسحاب والانعكاس، من الدرس الخاص بالنهايات من جهة واحدة؛ فقاعدة السلسلة تغيّر إشارة المشتقتين كلتيهما ولا تغيّر خارج قسمتهما. وإذا تحققت الفرضيات من جهتي aa كلتيهما، على (a−r,a)\ioo{a - r}{a} وعلى (a,a+r)\ioo{a}{a + r}، فإن مبرهنة «النهاية والنهايتان من جهة واحدة»، من ذلك الدرس، تعطي النهاية عندما x→ax \to a (وإذا كانت LL لانهائية، فبالحجة نفسها مع أصغر نصفي القطرين). ويمكن أن تكون الدالة معرّفة عند aa أو لا؛ فقيمتها هناك لا دخل لها.

مثالثلاثة تطبيقات متتالية

لننظر في lim⁡x→0x−sin⁡xx3\lim_{x \to 0} \frac{x - \sin x}{x^3}. يؤول البسط والمقام إلى 00، ومشتقة المقام، 3x23x^2، لا تنعدم خارج 00. وخارج قسمة المشتقتين هو 1−cos⁡x3x2\frac{1 - \cos x}{3x^2}، وهو مرة أخرى من الشكل 00\frac{0}{0}، بمقام مشتقته 6x6x، لا تنعدم هي أيضًا خارج 00؛ وخارج القسمة الجديد، sin⁡x6x\frac{\sin x}{6x}، يؤول إلى 16\frac{1}{6} بالنهاية الأساسية في حساب المثلثات:

lim⁡x→0x−sin⁡xx3=lim⁡x→01−cos⁡x3x2=lim⁡x→0sin⁡x6x=16\lim_{x \to 0} \frac{x - \sin x}{x^3} = \lim_{x \to 0} \frac{1 - \cos x}{3x^2} = \lim_{x \to 0} \frac{\sin x}{6x} = \frac{1}{6}

تُقرأ متتالية المساويات هذه من اليمين إلى اليسار: النهاية الأخيرة موجودة، والقاعدة، مطبّقةً مرتين، تنقل قيمتها إلى الوراء. وكتابة علامة التساوي الأولى قبل معرفة أن النهاية الثانية موجودة ليست إلا طريقة لتدوين الحساب، تُبرَّر عند إتمامه. والنهاية الثانية تأتي أيضًا من جدول المتكافئات، مع 1−cos⁡x∼x221 - \cos x \sim \frac{x^2}{2}؛ أما الأولى فلا.