函数极限的概念与验证

本文最后更新于 2025年11月23日 凌晨

函数极限的概念与验证

1. 直观理解:趋近于的含义

函数极限描述的是:当自变量 xx 无限接近(但不等于)某个值 aa 时,函数值 f(x)f(x) 会稳定地接近一个确定的数值 LL

示例: f(x)=x+1f(x) = x + 1

观察当 xx 趋近于 2 时的变化:

  • x=1.9f(x)=2.9x = 1.9 \Rightarrow f(x) = 2.9
  • x=1.99f(x)=2.99x = 1.99 \Rightarrow f(x) = 2.99
  • x=2.1f(x)=3.1x = 2.1 \Rightarrow f(x) = 3.1
  • x=2.01f(x)=3.01x = 2.01 \Rightarrow f(x) = 3.01

我们得出结论:

limx2(x+1)=3\lim_{x \to 2} (x + 1) = 3

2. 核心思想与重要说明

关键要点

  1. 趋近但不等于

    • 极限关注的是在 aa附近变化趋势
    • 函数在 x=ax = a 处可以没有定义
  2. 双侧一致性

    • 要求从左侧和右侧趋近时,f(x)f(x) 都趋近于同一个值 LL

3. 严格的数学定义:ϵ\epsilon-δ\delta 语言

正式定义:
设函数 f(x)f(x) 在点 aa 的某个去心邻域内有定义。如果存在常数 LL,使得对于任意给定的 ϵ>0\epsilon > 0,总存在 δ>0\delta > 0,使得当 xx 满足:

0<xa<δ0 < |x - a| < \delta

时,对应的函数值满足:

f(x)L<ϵ|f(x) - L| < \epsilon

则称 LL 是函数 f(x)f(x)xax \to a 时的极限,记作:

limxaf(x)=L\lim_{x \to a} f(x) = L

4. 单侧极限

  • 右极限: limxa+f(x)=L\lim\limits_{x \to a^+} f(x) = L
  • 左极限: limxaf(x)=L\lim\limits_{x \to a^-} f(x) = L

极限存在的充要条件:

limxaf(x)=L    limxa+f(x)=L 且 limxaf(x)=L\lim_{x \to a} f(x) = L \iff \lim_{x \to a^+} f(x) = L \ \text{且} \ \lim_{x \to a^-} f(x) = L

5. 极限的验证方法

验证思路

要证明:limxx0f(x)=L\lim\limits_{x \to x_0} f(x) = L

需要证明:对于任意 ϵ>0\epsilon > 0,存在 δ>0\delta > 0,使得当 0<xx0<δ0 < |x - x_0| < \delta 时,有 f(x)L<ϵ|f(x) - L| < \epsilon

验证步骤

步骤一:明确命题
清楚地写出要证明的极限表达式。

步骤二:分析推导(寻找 δ\delta

  1. 建立目标:f(x)L<ϵ|f(x) - L| < \epsilon
  2. 代数化简 f(x)L|f(x) - L| 的表达式
  3. 通过放缩技巧,建立与 xx0|x - x_0| 的联系
  4. 解出 xx0<ϵ/M|x - x_0| < \epsilon / M
  5. 确定 δ=min(1,ϵ/M)\delta = \min(1, \epsilon/M)

步骤三:完整证明

函数极限的ε-δ证明

已知: 存在常数 M>0M > 0,使得在 x0x_0 的某个去心邻域内有:

f(x)LMxx0|f(x) - L| \leq M|x - x_0|

证明: limxx0f(x)=L\lim\limits_{x \to x_0} f(x) = L

证明过程:

对于任意 ϵ>0\epsilon > 0,取 δ=min(1,ϵ/M)\delta = \min(1, \epsilon/M)

0<xx0<δ0 < |x - x_0| < \delta 时:

f(x)L=<MδM(ϵ/M)=ϵ\begin{aligned} |f(x) - L| &= \cdots \\ &\leq \cdots \\ &< M \cdot \delta \\ &\leq M \cdot (\epsilon/M) = \epsilon \end{aligned}

f(x)L<ϵ|f(x) - L| < \epsilon,由极限定义知:

limxx0f(x)=L\lim_{x \to x_0} f(x) = L


函数极限的概念与验证
https://www.apaperclip.eu.org/2025/10/13/2025-10-13-函数的极限1/
作者
qingsi
发布于
2025年10月13日
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