Regel von L’Hospital

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Mit der Regel von (de) L’Hospital (gesprochen [lopi'tal], auch L’Hôpital geschrieben, oder als l’Hospitalsche Regel oder Satz von L’Hospital bezeichnet) lassen sich Grenzwerte von Funktionen, die sich als Quotient zweier gegen Null konvergierender oder bestimmt divergierender Funktionen schreiben lassen, mithilfe der ersten Ableitungen dieser Funktionen berechnen.

Die Regel ist nach Guillaume François Antoine, Marquis de L’Hospital (1661–1704) benannt. L’Hospital veröffentlichte sie 1696 in seinem Buch Analyse des infiniment petits pour l’intelligence des lignes courbes, dem ersten Lehrbuch der Differentialrechnung. Er hatte sie aber nicht selbst entdeckt, sondern von Johann Bernoulli übernommen.

Anwendung[Bearbeiten]

Die Regel von L’Hospital erlaubt es in vielen Fällen, den Grenzwert einer Funktion zu bestimmen, wenn sich der Funktionsterm so ausdrücken lässt, dass beim Erreichen der Grenze ein unbestimmter Ausdruck entsteht.

Alle Anwendungen der Regel lassen sich auf die Aufgabe zurückführen, den Grenzwert \lim_{x\to x_0}\tfrac{f(x)}{g(x)} zu bestimmen, wenn \lim_{x \to x_0}{f(x)} und \lim_{x \to x_0}{g(x)} entweder beide null oder beide unendlich sind; \tfrac{f(x_0)}{g(x_0)} ist also ein unbestimmter Ausdruck des Typs \tfrac{0}{0} oder \tfrac{\infty}{\infty}.

Die Regel von L’Hospital besagt dann, dass \lim_{x\to x_0}\tfrac{f(x)}{g(x)}\,=\,\lim_{x\to x_0}\tfrac{f'(x)}{g'(x)} gilt, falls der Grenzwert auf der rechten Seite existiert. Dabei bezeichnen f' und g' die ersten Ableitungen der Funktionen f und g.

Die rechte Seite dieser Gleichung lässt sich häufig einfach berechnen. Führt auch sie wieder auf einen unbestimmten Ausdruck, so kann man darauf erneut die Regel von L’Hospital anwenden, was möglicherweise in endlich vielen Schritten zum Ziel führt.

Die Umkehrung der Regel gilt nicht: Daraus, dass der Grenzwert \textstyle \lim \tfrac{f(x)}{g(x)} existiert, folgt nicht zwingend, dass auch \textstyle \lim \tfrac{f'(x)}{g'(x)} existiert.

Präzise Formulierung[Bearbeiten]

Sei I=(\tilde{x}_0,x_0) ein nichtleeres offenes Intervall und seien  f,\, g \colon I\to\Bbb{R} differenzierbare Funktionen, die für x\nearrow x_0 (x geht von unten gegen x_0) beide gegen 0 konvergieren oder beide bestimmt divergieren.

Wenn  g'(x) \neq 0 für alle  x \in I gilt sowie \tfrac{f'(x)}{g'(x)} für x\nearrow x_0 gegen einen Wert c konvergiert oder bestimmt divergiert, so tut dies auch \tfrac{f(x)}{g(x)}. Analoges gilt, wenn man x\nearrow x_0 überall durch x\searrow \tilde{x}_0 (x geht von oben gegen \tilde{x}_0) ersetzt.

Ist I echte Teilmenge eines offenen Intervalls, auf dem die genannten Voraussetzungen erfüllt sind, gilt also insbesondere

\lim_{x\to x_0}\frac{f'(x)}{g'(x)}=c~\Rightarrow~\lim_{x\to x_0}\frac{f(x)}{g(x)}=c.

Der Satz gilt auch für uneigentliche Intervallgrenzen x_0=\pm\infty.

Beweisskizze[Bearbeiten]

Im Fall \lim_{x\to x_0} f(x) = \lim_{x\to x_0} g(x) = 0 lassen sich die Funktionen f und g an der Stelle x_0 durch f(x_0) = g(x_0) = 0 stetig fortsetzen. Der Satz lässt sich damit auf den erweiterten Mittelwertsatz zurückführen, nach dem unter den gegebenen Voraussetzungen für jedes x\in I ein \xi\in I existiert, so dass

\frac{f'(\xi)}{g'(\xi)}=\frac{f(x_0)-f(x)}{g(x_0)-g(x)}=\frac{f(x)}{g(x)}.

Mit dem Grenzübergang x\nearrow x_0 folgt die Behauptung.

Durch Variablentransformation x\mapsto \tfrac{1}{x-x_0} lässt sich der Satz auf den uneigentlichen Fall erweitern.

Anschauliche Erklärung[Bearbeiten]

Näherung zweier Funktionen (durchgezogen) durch ihre Tangenten (gestrichelt)

Die Regel beruht darauf, dass sich Funktionen in der Nähe einer Stelle x0 durch ihre Tangenten annähern lassen.

Ist \lim_{x \to x_0}f(x) = \lim_{x \to x_0}g(x) = 0, so lauten die Tangentengleichungen y=f'(x_0)\,\cdot(x-x_0) und y=g'(x_0)\,\cdot(x-x_0). Ihr Quotient \frac{f'(x_0)\,\cdot(x-x_0)}{g'(x_0)\,\cdot(x-x_0)}\,=\,\frac{f'(x_0)}{g'(x_0)} ist also eine Näherung für \frac{f(x_0)}{g(x_0)}.

Anwendungsbeispiele[Bearbeiten]

Grenzübergang bei x0=0[Bearbeiten]

Zu untersuchen ist die Konvergenz bzw. Divergenz von \textstyle \lim_{x\to 0}\frac{\cos(x)-1}{\tan(x)}. Dazu setzt man f(x):=\cos(x)-1 und g(x):=\tan(x). Es gilt

 \lim_{x\to 0}{f(x)}=0 und  \lim_{x\to 0}{g(x)}=0.

Falls \tfrac{f'(x)}{g'(x)} für x \rightarrow 0 konvergiert oder bestimmt divergiert, darf die Regel von L’Hospital angewandt werden. Nun gilt

\frac{f'(x)}{g'(x)} = \frac{-\sin(x)}{\frac{1}{\cos^2(x)}} = -\sin(x)\cos^2(x) \rightarrow 0 für x \rightarrow 0.

Somit ist die Regel von L’Hospital anwendbar. Mit dieser folgt die Konvergenz von \textstyle \lim_{x\to 0}\frac{\cos(x)-1}{\tan(x)} mit Grenzwert 0.

Grenzübergang im Unendlichen[Bearbeiten]

Zu untersuchen ist die Konvergenz bzw. Divergenz von \textstyle \lim_{x\to \infty}\frac{\sqrt{x}}{\ln(x)}. Man setzt f(x):=\sqrt{x} und g(x):=\ln(x). Sowohl \textstyle \lim_{x\to \infty}{f(x)}=\infty als auch \textstyle \lim_{x\to \infty}{g(x)}=\infty sind bestimmt divergent.

Falls \tfrac{f'(x)}{g'(x)} für x \rightarrow \infty konvergiert oder bestimmt divergiert, dürfte die Regel von L’Hospital angewandt werden. Nun gilt

 \frac{f'(x)}{g'(x)} = {\frac{1}{2\sqrt{x}} \over \frac{1}{x}}=\frac{\sqrt{x}}{2}\rightarrow\infty für x \rightarrow \infty,

das heißt, \textstyle \lim_{x\rightarrow\infty}\frac{f'(x)}{g'(x)} = \infty ist bestimmt divergent. Daher darf die Regel von L’Hospital angewandt werden. Aus ihr folgt die bestimmte Divergenz

\lim_{x\to \infty}\frac{\sqrt{x}}{\ln(x)} = \infty.

Warnbeispiele[Bearbeiten]

Beachtung der Voraussetzungen[Bearbeiten]

Sei \ f(x) := \sin x + 2x und \ g(x) := \cos x + 2x. Für x \to \infty liegt der Fall \frac{\infty}{\infty} vor.

Die Regel von L’Hospital kann aber nicht angewandt werden, denn \frac{f'(x)}{g'(x)}=\frac{\cos x + 2}{-\sin x + 2} ist für x \to \infty unbestimmt divergent, da eine periodische Funktion vorliegt. Trotz des Versagens der Regel von L’Hospital konvergiert \frac{f(x)}{g(x)} für x\rightarrow\infty. Es ist nämlich \lim_{x\rightarrow \infty}\frac{f(x)}{g(x)}=\lim_{x\rightarrow \infty}\left(1 + \frac{\sin x - \cos x}{\cos x + 2x}\right)=1.

Landau-Kalkül[Bearbeiten]

Wenn man den Grenzwert  x \rightarrow x_0 berechnen möchte und die Taylorentwicklung von Nenner und Zähler um  x_0 kennt, ist es oft einfacher, den Grenzwert über den \mathcal{O}-Kalkül zu bestimmen, als mehrfach die Regel von L’Hospital anzuwenden.

So gilt beispielsweise  \frac{\sin x -x}{x(1-\cos x)} = \frac{-\frac{1}{6}x^3 + \mathcal{O}(x^5)}{x(\frac{x^2}{2}+\mathcal{O}(x^4))} = \frac{-\frac{1}{6}+\mathcal{O}(x^2)}{\frac{1}{2}+\mathcal{O}(x^2)} \rightarrow -\frac{1}{3} für x \rightarrow 0 .

Verallgemeinerungen[Bearbeiten]

Die Regel lässt sich auch für Funktionen mit komplexen Variablen formulieren. Sind  f und  g zwei in  D holomorphe Funktionen, welche an der Stelle  a \in D dieselbe Nullstellenordnung  k haben. Dann gilt

 \lim_{z \to a}\frac{f(z)}{g(z)}=\frac{f^{(k)}(a)}{g^{(k)}(a)}.

Literatur[Bearbeiten]

  • Harro Heuser: Lehrbuch der Analysis. Teil 1. 12. Auflage. Teubner, Stuttgart/Leipzig, 1998.
  •  Eberhard Freitag und Rolf Busam: Funktionentheorie 1. 3., neu bearbeitete und erweiterte Auflage. Springer-Verlag, Berlin u. a. 2000, ISBN 3-540-67641-4.

Weblinks[Bearbeiten]

 Wikibooks: Beweis der Regeln von L’Hospital – Lern- und Lehrmaterialien