复合函数相关极限求导计算的正确性验证及解释咨询
嘿,咱们来一步步盘这个计算的正确性,再聊聊更直观的解释思路~
首先明确问题:我们要计算的是这个极限:
$$\lim_{x\rightarrow 0}\frac{d}{dx}\left(\frac{f[g(x)]-f[g(-x)]}{g(x)-g(-x)}\right) \tag1$$
你设这个极限为$y$,然后给出了一套推导步骤,最后得出结果为0。咱们先拆解每一步的合理性:
步骤合理性分析
步骤(2):商的导数法则应用
这一步完全没问题——只要$g(x)-g(-x)$在$x=0$的某个去心邻域内不为0,同时$f$和$g$都一阶可导(这里用到了链式法则求导$f[g(x)]$和$f[g(-x)]$),商的导数法则就适用,推导出来的分子表达式是正确的。步骤(3):代数拆分重组
把步骤(2)的分子拆成两个分式相加,是纯粹的代数变形,只要分母不为0就成立,这一步逻辑上没毛病。步骤(4):洛必达法则的应用
这里需要注意洛必达的适用前提:当$x\rightarrow0$时,每个分式的分子和分母都趋于0(满足0/0型):- 分子部分:$\frac{f[g(x)]-f[g(-x)]}{g(x)-g(-x)}$是$f$在$g(x)$和$g(-x)$之间的差商,当$x\rightarrow0$时,$g(x)$和$g(-x)$都趋近于$g(0)$,所以这个差商趋近于$f'[g(0)]$,因此$f'[g(x)] - \text{差商}$趋近于$f'[g(0)] - f'[g(0)] = 0$;
- 分母部分:$g(x)-g(-x)$当$x\rightarrow0$时,显然趋近于$g(0)-g(0)=0$。
同时,这里默认了$f$二阶可导、$g$一阶可导(且$g'(0)\neq0$,不然分母$g'(x)+g'(-x)$趋近于0,洛必达后的分式就无意义了),在这些前提满足的情况下,洛必达的应用是合理的,替换后的表达式也正确。
步骤(5)(6):化简得出结论
把步骤(4)的两个分式代入后化简,得到$y=-y$,进而推出$y=0$,这部分代数运算完全正确。
更直观的解释:奇偶性视角
其实不用这么复杂的求导推导,咱们从函数奇偶性就能快速理解结果:
设$h(x)=\frac{f[g(x)]-f[g(-x)]}{g(x)-g(-x)}$,咱们看看$h(-x)$是什么:
$$h(-x)=\frac{f[g(-x)]-f[g(x)]}{g(-x)-g(x)}=\frac{-(f[g(x)]-f[g(-x)])}{-(g(x)-g(-x))}=h(x)$$
也就是说$h(x)$是偶函数。而偶函数的导数是奇函数(这个结论你肯定熟:如果$h(-x)=h(x)$,两边求导得$-h'(-x)=h'(x)$,即$h'(-x)=-h'(x)$)。
对于奇函数$h'(x)$,如果$\lim_{x\rightarrow0}h'(x)$存在,那么根据奇函数的性质:
$$\lim_{x\rightarrow0}h'(x)=\lim_{x\rightarrow0}(-h'(-x))=-\lim_{t\rightarrow0}h'(t) \quad (\text{令}t=-x)$$
也就是$y=-y$,直接得出$y=0$,是不是比求导推导简洁多了?
注意前提条件
最后要提一下,整个推导成立需要满足几个前提:
- $f$二阶可导,$g$二阶可导(或者至少在$x=0$附近一阶可导且$g'(0)\neq0$);
- 在$x=0$的某个去心邻域内,$g(x)-g(-x)\neq0$(保证分式有意义);
- $\lim_{x\rightarrow0}h'(x)$存在(也就是原极限存在,这是我们推导的前提)。
备注:内容来源于stack exchange,提问作者Shu Li




