不定式 (數學)

在微積分和數學分析的其他分支中，不定式（英語：Indeterminate form），又稱未定式，是指這樣一類極限，其在按極限的運算規則進行代入後，還未能得到足夠資訊去確定極限值。

這個術語最初由柯西的學生穆瓦尼奧（法語：Abbé Moigno）在19世紀中葉提出。常見的不定式有：${\displaystyle {\frac {0}{0}},~{\frac {\infty }{\infty }},~0\times \infty ,~1^{\infty },~\infty -\infty ,~0^{0}{\text{ 和 }}~\infty ^{0}}$。 處理計算未定式的值常見的方法為使用洛必達法則。

例子

0除以0

${\displaystyle {\frac {0}{0}}}$ 是不定式，通常被認為沒有定義。

0的0次方

${\displaystyle 0^{0}}$也是不定式。在不同軟件中，有不同的處理規則，有些定義為1或0，有些視為「沒有定義」。

在數學上，當${\displaystyle x}$趨向${\displaystyle 0^{+}}$，${\displaystyle x^{x}}$的極限是1。

${\displaystyle \lim _{x\to 0^{+}}0^{x}=0\qquad }$

${\displaystyle \lim _{x\to 0^{+}}x^{0}=1\qquad }$

${\displaystyle \lim _{x\to 0^{+}}x^{x}=1\qquad }$

在冪級數和微積分中，有時候必須定義${\displaystyle 0^{0}=1}$，等式才會成立。

在二項式定理中，當${\displaystyle x=0}$，右式會出現${\displaystyle 0^{0}}$。

${\displaystyle (1+x)^{n}=\sum _{k=0}^{n}{n \choose k}x^{k}}$

微分學的冪法則（英語：Power rule），在${\displaystyle n=1}$及${\displaystyle x=0}$的情況下，也會出現${\displaystyle 0^{0}}$。

${\displaystyle {\frac {d}{dx}}x^{n}=nx^{n-1}}$

物理

在物理學上這是有一定的解釋。比如說電阻定義 (歐姆定律)${\displaystyle R={\frac {U}{I}}}$，當電壓和電流都為 ${\displaystyle 0}$ 時 ${\displaystyle R}$ 的值存在不確定性。

例如，極限

${\displaystyle \lim _{x\to c}{f(x) \over g(x)}}$ 當${\displaystyle f(c)=g(c)=0\,}$。若 ${\displaystyle f(x)\,}$ 等於 ${\displaystyle g(x)\,}$，極限為1；若 ${\displaystyle f(x)\,}$ 等於 ${\displaystyle g(x)\,}$ 的兩倍，則極限為2。

更一般地，${\displaystyle {\frac {0}{0}}}$ 的極限可以通過洛必達法則求得。

不定式列表

下表中列出了最常見的不定式，可以通過轉換來使得它們滿足洛必達法則的條件。

不定式	條件	轉換到0/0	轉換到∞/∞
${\displaystyle 0/0}$	${\displaystyle \lim _{x\to c}f(x)=0,\ \lim _{x\to c}g(x)=0\!}$	—	${\displaystyle \lim _{x\to c}{\frac {f(x)}{g(x)}}=\lim _{x\to c}{\frac {1/g(x)}{1/f(x)}}\!}$
${\displaystyle \infty /\infty }$	${\displaystyle \lim _{x\to c}f(x)=\infty ,\ \lim _{x\to c}g(x)=\infty \!}$	${\displaystyle \lim _{x\to c}{\frac {f(x)}{g(x)}}=\lim _{x\to c}{\frac {1/g(x)}{1/f(x)}}\!}$	—
${\displaystyle 0\cdot \infty }$	${\displaystyle \lim _{x\to c}f(x)=0,\ \lim _{x\to c}g(x)=\infty \!}$	${\displaystyle \lim _{x\to c}f(x)g(x)=\lim _{x\to c}{\frac {f(x)}{1/g(x)}}\!}$	${\displaystyle \lim _{x\to c}f(x)g(x)=\lim _{x\to c}{\frac {g(x)}{1/f(x)}}\!}$
${\displaystyle \infty -\infty }$	${\displaystyle \lim _{x\to c}f(x)=\infty ,\ \lim _{x\to c}g(x)=\infty \!}$	${\displaystyle \lim _{x\to c}(f(x)-g(x))=\lim _{x\to c}{\frac {1/g(x)-1/f(x)}{1/(f(x)g(x))}}\!}$	${\displaystyle \lim _{x\to c}(f(x)-g(x))=\ln \lim _{x\to c}{\frac {e^{f(x)}}{e^{g(x)}}}\!}$
${\displaystyle 0^{0}}$	${\displaystyle \lim _{x\to c}f(x)=0^{+},\lim _{x\to c}g(x)=0\!}$	${\displaystyle \lim _{x\to c}f(x)^{g(x)}=\exp \lim _{x\to c}{\frac {g(x)}{1/\ln f(x)}}\!}$	${\displaystyle \lim _{x\to c}f(x)^{g(x)}=\exp \lim _{x\to c}{\frac {\ln f(x)}{1/g(x)}}\!}$
${\displaystyle 1^{\infty }}$	${\displaystyle \lim _{x\to c}f(x)=1,\ \lim _{x\to c}g(x)=\infty \!}$	${\displaystyle \lim _{x\to c}f(x)^{g(x)}=\exp \lim _{x\to c}{\frac {\ln f(x)}{1/g(x)}}\!}$	${\displaystyle \lim _{x\to c}f(x)^{g(x)}=\exp \lim _{x\to c}{\frac {g(x)}{1/\ln f(x)}}\!}$
${\displaystyle \infty ^{0}}$	${\displaystyle \lim _{x\to c}f(x)=\infty ,\ \lim _{x\to c}g(x)=0\!}$	${\displaystyle \lim _{x\to c}f(x)^{g(x)}=\exp \lim _{x\to c}{\frac {g(x)}{1/\ln f(x)}}\!}$	${\displaystyle \lim _{x\to c}f(x)^{g(x)}=\exp \lim _{x\to c}{\frac {\ln f(x)}{1/g(x)}}\!}$