高等數學二:函數的極限


數列極限的定義:

給定數列{xn}或xn=f(n),A為常數。如果∀ε> 0(∀表示任意、每一個,ε表示存在,這里的∀ε表示數列中的任意一個數值、每一個數值),∃N > 0(∃表示存在,N表示一個正整數,∃N表示存在一個正整數) ,當n >N時,有|xn - A| < ε;則稱數列{xn}以A為極限,或稱數列{xn}收斂於A,記為

 

不等式中的ε的雙重性: 

1、任意性:不等式|xn - a| < ε刻划了xn與a的無限接近程度,ε愈小,表示接近得愈好;而正數ε可以任意地小,說明xn與a可以接近到任何程度。然而,盡管ε有其任意性,但一經給出正整數N,ε就暫時地被確定下來,以便依靠它來求出ε,又ε既是任意小的 正數,那么ε/2,ε的平方等等同樣也是任意小的正數,因此定義中 不等式|xn - A| < ε中的 ε可用ε/2,ε的平方等來代替。同時,正由於ε是任意小正數,我們可限定ε小於一個確定的正數.另外,定義1中的|xn - A| < ε也可改寫成|x- A| ≦ ε。 

2、相應性:一般說,N隨ε的變小而變大,由此常把N寫作N(ε),來強調N是依賴於ε的;但這並不意味着N是由ε所唯一確定的,因為對給定的 ,比如當N=100時,能使得當n>N時有||x- A| < ε,則N=101或更大時此不等式自然也成立.這里重要的是N的存在性,而不在於它的值的大小.另外,定義1中的,n > N也可改寫成n≧N。

分析 :
當n無限增大時, xn無限接近於A .
⇔當n無限增大時,|xn - A|無限接近於0 .
⇔當n無限增大時, |xn - A|可以任意小, 要多小就能有多小.
⇔當n增大到一定程度以后, |xn - A|能小於事先給定的任意小的正數.
因此, 如果 n 增大到一定程度以后, |xn - A|能小於事先給定的任意小的正數, 則當n無限增大時,  |xn - A|無限接近於常數A。

將xn無限接近於A,數學符號化為: “∀ϵ>0, |xn - A| < ϵ∀ϵ > 0, |xn - A| < ϵ”

將n無限大時,數學符號化為:∃N, n > N

同樣的,如果這樣的常數A不存在,就說數列{xn}沒有極限,或者說{xn}是發散的。

示例:

 

 

 

數列極限,是一個特殊的極限;更普通性的是函數極限。

領域:對於區間的集合,稱為a的鄰域,記作a為鄰域的中心,δ為鄰域的半徑

去心領域:在 a 的鄰域中去掉a 的數的集合,記作。 

函數的極限的定義:

設函數  在點  的某一去心鄰域內有定義,如果存在常數A,對於任意給定的正數 (無論它多么小)(即∀ϵ > 0),總存在正數

   (即E   > 0),使得當x滿足不等式   時,對應的函數值   都滿足不等式: ,則A就叫做函數
   當   時的極限,記作

由函數極限的定義可知, 在  處的極限僅與  的去心領域內的值有關,而與 在  處的值無關。f()甚至可以不定義。對於x --> x0,的函數極限要比數列極限復雜得多;數列中n只會無限趨近於正無窮大+∞,而函數極限分區分左趨近和右趨近,具體表示如下:

 用ϵ --   語言,表示函數極限x -> x0的定義:

  <=> ∀ε> 0,E > 0,當   時,則 。

1、自變量趨於有限值x0時,函數的極限

  • x -> x0
  • x ->x0+
  • x ->x0-

 用ϵ --  X 語言,表示函數極限x -> ∞ 的定義:

  <=> ∀ε> 0,E > 0,當 |x| > X時,則 。

2、自變量趨於無窮大時,函數的極限

  • x -> ∞
  • x -> +∞
  • x -> -∞

考察函數f(x)自變量變化過程的以上六種形式。

 

x --> x0分析:

 

 示例:證明 

 

 

 左、右極限(單側極限):

 

 

 

 

x -> ∞分析:

通常使用表示δ一個很小的數,使用X表示一個很大的數。

 

示例:

 

 函數極限存在的充要條件:

函數極限存在,則必有左右極限,且左右極限相等。

 

 函數極限的性質:

定理1:函數極限唯一性

定理2:函數極限的局部有界性

證明:

 

定理3:函數極限的局部保號性

證明:

 

 

 

 

極限存在的兩個准則:

准則1:兩邊夾

准則2:單調且有界數列,必有極限

 

兩個重要的極限:

 

 

第一個重要極限,使用了極限存在的第一個准則,兩邊夾准則來證明。

 

第二個重要極限,使用了極限存在的第二個准則,單調且有界准則。

 

 

 

 兩個重要極限的通用格式:

 

極限的四則運算 

 

 

練習:

練習2、3:

練習4:

只要沒有特殊說明n -> ∞,這里f(x)指的是數列極限。其中x是一個常量,參量,n才是自變量。

先求出f(x):

再求要求的:

 


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