函数极限的存在准则

本文最后更新于 2026年3月13日 下午

函数极限的存在准则

1. 夹逼准则(Squeeze Theorem)

定理内容

设函数 f(x),g(x),h(x)f(x), g(x), h(x) 在点 x0x_0 的某去心邻域内满足:

  1. g(x)≤f(x)≤h(x)g(x) \leq f(x) \leq h(x)
  2. lim⁡x→x0g(x)=lim⁡x→x0h(x)=A\lim\limits_{x \to x_0} g(x) = \lim\limits_{x \to x_0} h(x) = A

则 lim⁡x→x0f(x)=A\lim\limits_{x \to x_0} f(x) = A

证明思路

由条件可得:

∣f(x)−A∣≤max⁡{∣g(x)−A∣,∣h(x)−A∣}|f(x) - A| \leq \max\{|g(x) - A|, |h(x) - A|\}

当 x→x0x \to x_0 时,右边趋于 0,故左边也趋于 0。

应用示例

证明 lim⁡x→0x2sin⁡(1x)=0\lim\limits_{x \to 0} x^2 \sin\left(\frac{1}{x}\right) = 0

解:由于 −1≤sin⁡(1x)≤1-1 \leq \sin\left(\frac{1}{x}\right) \leq 1,所以:

−x2≤x2sin⁡(1x)≤x2-x^2 \leq x^2 \sin\left(\frac{1}{x}\right) \leq x^2

而 lim⁡x→0(−x2)=lim⁡x→0x2=0\lim\limits_{x \to 0} (-x^2) = \lim\limits_{x \to 0} x^2 = 0,由夹逼准则得证。


2. 单调有界准则

定理内容

若函数 f(x)f(x) 在区间 (a,b)(a, b) 内:

  1. 单调递增 且 有上界,则 lim⁡x→b−f(x)\lim\limits_{x \to b^-} f(x) 存在
  2. 单调递减 且 有下界,则 lim⁡x→b−f(x)\lim\limits_{x \to b^-} f(x) 存在

重要推论

  • 单调有界数列必有极限
  • 单调有界函数在区间端点处的单侧极限存在

应用示例

考虑函数 f(x)=(1+1x)xf(x) = \left(1 + \frac{1}{x}\right)^x,当 x→+∞x \to +\infty 时:

  1. 可以证明该函数单调递增
  2. 且有上界 ee

因此 lim⁡x→+∞(1+1x)x\lim\limits_{x \to +\infty} \left(1 + \frac{1}{x}\right)^x 存在,定义为 ee


3. 柯西收敛准则

定理内容

极限 lim⁡x→x0f(x)\lim\limits_{x \to x_0} f(x) 存在的充要条件是:

∀ε>0,∃δ>0,当 0<∣x1−x0∣<δ,0<∣x2−x0∣<δ 时\forall \varepsilon > 0, \exists \delta > 0, \text{当 } 0 < |x_1 - x_0| < \delta, 0 < |x_2 - x_0| < \delta \text{ 时}

有 ∣f(x1)−f(x2)∣<ε|f(x_1) - f(x_2)| < \varepsilon

几何解释

当自变量充分接近 x0x_0 时,函数值的波动可以任意小。

应用价值

  • 不需要预先知道极限值
  • 适用于理论证明
  • 是判断极限存在性的根本准则

4. 海涅定理

定理内容

lim⁡x→x0f(x)=A\lim\limits_{x \to x_0} f(x) = A 的充要条件是:
对于任意满足 lim⁡n→∞xn=x0\lim\limits_{n \to \infty} x_n = x_0 且 xn≠x0x_n \neq x_0 的数列 {xn}\{x_n\},都有:

lim⁡n→∞f(xn)=A\lim\limits_{n \to \infty} f(x_n) = A

应用技巧

  • 可用数列极限研究函数极限
  • 可用于证明某些极限不存在(找到两个收敛于同一点的数列,但函数值极限不同)

5. 总结对比

准则名称 适用场景 优点 局限性
夹逼准则 函数被两个已知极限的函数控制 直观易懂,计算方便 需要找到合适的控制函数
单调有界 单调函数 证明简单,结论强 只适用于单调函数
柯西准则 一般情况 不需要预知极限值 验证较复杂
海涅定理 函数极限与数列极限的转换 可利用数列性质 需要验证所有可能的数列

6. 典型例题

例题1

判断 lim⁡x→0sin⁡xx\lim\limits_{x \to 0} \frac{\sin x}{x} 是否存在

解:利用夹逼准则和几何关系可得极限为 1。

例题2

证明 lim⁡x→01x\lim\limits_{x \to 0} \frac{1}{x} 不存在

解:取数列 xn=1nx_n = \frac{1}{n} 和 yn=−1ny_n = -\frac{1}{n},由海涅定理可知极限不存在。


函数极限的存在准则
https://www.apaperclip.eu.org/2025/10/18/2025-10-18-函数极限的存在准则/
作者
qingsi
发布于
2025年10月18日
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