ロピタルの定理

ロピタルの定理

関数 f x g x が下記に示すi,ii,iiiの条件を満たし, lim x a f x g x = 0 0 , の不定形で, lim x a f x g x が収束,あるいは, ± のとき

lim x a f x g x = lim x a f x g x

が成り立つ.

  1. a を含む開区間I( a を除くことも可能である)で,関数 f x g x 微分可能で, g x 0 である.

  2. lim x a f x = 0 lim x a g x = 0 ,あるいは, lim x a f x = ± lim x a g x = ± である.

  3. lim x a f x g x が存在( ± でもよい)する.

■証明

I. a を含む開区間Iにおいて,関数 f x g x が連続, a を除いて微分可能で, g x 0 f a = 0 g a = 0 ,かつ, lim x a f x g x が存在( ± でもよい)する特殊な場合

x > a の場合について

x を開区間I内の点とする.閉区間 a , x において,関数 f x g x は連続,開区間 a , x において微分可能で, g x 0 であるから,コーシーの平均値の定理を適用すると

f x f a g x g a = f c g c

を満たす c a < c < x )が存在する.なお, g x 0 ロルの定理より g x g a であるから,左辺の分母は 0 にならない.

f a = 0 g a = 0 より

f x g x = f c g c

と変形できる.

x a + 0 のとき, a < c < x より c a + 0 となる.したがって, lim x a f x g x が存在( ± でもよい)することから

lim x a + 0 f x g x = lim c a + 0 f c g c = lim x a + 0 f x g x

が成り立つ.

x < a の場合について

閉区間 x , a において同様にコーシーの平均値の定理を適用すると

f x f a g x g a = f c g c

を満たす c x < c < a ) が存在する. f a = 0 g a = 0 より

f x g x = f c g c

となる. x a 0 のとき, x < c < a より c a 0 となるので

lim x a 0 f x g x = lim c a 0 f c g c = lim x a 0 f x g x

が成り立つ.

両者を合わせると

lim x a f x g x = lim x a f x g x

が成り立つ.

II. a を含む開区間I( a を除くことも可能である)において,関数 f x g x が微分可能, g x 0 で, lim x a f x = 0 lim x a g x = 0 ではあるが f a = 0 g a = 0 とならず,かつ, lim x a f x g x ( ± でもよい)が存在する特殊な場合

以下に示す関数を導入する.

F x = f x x a 0 x = a G x = g x x a 0 x = a ・・・・・・(1)

F x G x x = a で連続)

証明Iより

lim x a F x G x = lim x a F x G x ・・・・・・(2)

が成り立つ.

x > a の場合について

(1)より

F x = f x G x = g x

となり,(2)を(3)のように書き換えることができる.

lim x a + 0 f x g x = lim x a + 0 f x g x ・・・・・・(3)

x < a の場合について

(1)より

F x = f x G x = g x

となり,(2)を(4)のように書き換えることができる.

lim x a 0 f x g x = lim x a 0 f x g x ・・・・・・(4)

(3)と(4)を合わせると

lim x a f x g x = lim x a f x g x

が成り立つ.

III. a を含む開区間I( a を除くことも可能である)において,関数 f x g x が微分可能, g x 0 で, lim x a f x = ± lim x a g x = ± ,かつ, lim x a f x g x が存在する( ± でもよい)場合

lim x a f x g x = α ・・・・・・(5)

とおく.(5)をε-δ論法で言い換えると

ε > 0 を任意に1つ選び固定する.この ε に対して, 0 < x a < δ f x g x α < ε を満たすある正の数 δ が存在する.」 ・・・・・・(6)

となる.

a < x < b 1 の場合

閉区間 x , b 1 コーシーの平均値の定理を適用すると

f x f b 1 g x g b 1 = f c 1 g c 1 ・・・・・・(7)

を満たす c 1 x < c 1 < b 1 が存在する.

b 1 a に近づけていくと, c 1 a に近づき, 0 < c 1 a < δ となる.

このとき,(6)より

f c 1 g c 1 α < ε ・・・・・・(8)

が成り立つ.

(7)を以下のように変形する.

f x 1 f b 1 f x g x 1 g b 1 g x = f c 1 g c 1

f x g x · 1 f b 1 f x 1 g b 1 g x = f c 1 g c 1 ・・・・・・(9)

(8)に(9)を代入する.

f x g x · 1 f b 1 f x 1 g b 1 g x α < ε ・・・・・・(10)

b 1 を固定し x a + 0 の極限をとる.

x a + 0 のとき, f x ± g x ± f b 1 g b 1 は有限の値なので, f b 1 f x 0 g b 1 g x 0 となり,(10)は

f x g x α < ε

となる.よって

x a + 0 のとき, 0 < c 1 a < δ f x g x α < ε ・・・・・・(11)

が成り立つ.

a < x < c 1 < b 1 より

0 < c 1 a < δ 0 < x a < δ

したがって

x a + 0 のとき, 0 < x a < δ f x g x α < ε

すなわち

lim x a + 0 f x g x = α のとき, lim x a + 0 f x g x = α ・・・・・・(12)

成り立つ

b 2 < x < a の場合

閉区間 b 2 , x でコーシーの平均値の定理を適用すると

f b 2 f x g b 2 g x = f c 2 g c 2 ・・・・・・(13)

を満たす c 2 x < c 2 < b 2 が存在する.

b 2 a に近づけていくと, c 2 a に近づき, 0 < c 2 a < δ となる.

このとき,(6)より

f c 2 g c 2 α < ε ・・・・・・(14)

が成り立つ.

(13)を以下のように変形する.

f x f b 2 f x 1 g x g b 2 g x 1 = f c 2 g c 2

f x g x · f b 2 f x 1 g b 2 g x 1 = f c 2 g c 2 ・・・・・・(15)

(14)に(15)を代入する.

f x g x · f b 2 f x 1 g b 2 g x 1 α < ε ・・・・・・(16)

b 2 を固定し x a 0 の極限をとる.

x a 0 のとき, f x ± g x ± f b 2 g b 2 は有限の値なので, f b 2 f x 0 g b 2 g x 0 となり,(16)は

f x g x α < ε

となる.よって

x a 0 のとき, 0 < c 2 a < δ f x g x α < ε ・・・・・・(17)

が成り立つ.

b 2 < c 2 < x < a より

0 < c 2 a < δ 0 < x a < δ

したがって

x a 0 のとき, 0 < x a < δ f x g x α < ε

すなわち

lim x a 0 f x g x = α のとき, lim x a 0 f x g x = α ・・・・・・(18)

成り立つ

(12)と(18)を合わせると

lim x a f x g x = α のとき, lim x a f x g x = α

すなわち

lim x a f x g x = lim x a f x g x ・・・・・・(19)

が成り立つ.

IV. a ± の場合

t = 1 x となる変数 t f 1 t = H t g 1 t = I t となる関数 H t I t を導入する.

t 0 x ± のとき t ± 0 である.

H t = f 1 t = f 1 t × 1 t = f 1 t × 1 t 2

I t = g 1 t = g 1 t × 1 t = g 1 t × 1 t 2

より

関数 H t I t は0を除く0の近傍で微分可能で, I t 0 である.・・・・・・(20)

また

lim t ± 0 H t I t = lim t ± 0 f 1 t 1 t 2 g 1 t 1 t 2 = lim t ± 0 f 1 t g 1 t = lim x ± f x g x

より

lim x ± f x g x が存在すると lim t ± 0 H t I t も存在する.・・・・・・(21)

lim x ± f x = 0 lim x ± g x = 0 の時

x ± のとき, t ± 0 となることより

lim t ± 0 H t = 0 lim t ± 0 I t = 0 ・・・・・・(22)

となる.(20),(21),(22)より(3)および(4)が適用でき

lim t ± 0 H t I t = lim t ± 0 H t I t

すなわち

lim x ± f x g x = lim x ± f x g x ・・・・・・(23)

が得られる.

lim x ± f x = ± lim x ± g x = ± の時

x ± のとき, t ± 0 となることより

lim t ± 0 H t = ± lim t ± 0 I t = ± ・・・・・・(24)

となる.(20),(21),(24)より(12),(18)が適用でき

lim t ± 0 H t I t = lim t ± 0 H t I t

すなわち

lim x ± f x g x = lim x ± f x g x ・・・・・・(25)

が得られる.

 

【参考図書】
微分積分キャンパスゼミ 著者:高杉豊,馬場敬之 出版社:マセマ出版社
Calculus 7E 著者:James Stewart 出版社:Brooks/Cole Pub Co

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最終更新日: 2026年7月16日