本文最后更新于 2025年11月23日 凌晨
函数极限的性质与两个重要极限
第一部分:函数极限的性质
假设 x→alimf(x)=A 和 x→alimg(x)=B 都存在(且为有限常数),则函数极限具有以下重要性质:
1. 唯一性
如果函数 f(x) 在 x→a 时的极限存在,那么这个极限是唯一的。
意义:一个函数在某个点的附近只能无限逼近于一个确定的数值。
2. 局部有界性
如果 x→alimf(x) 存在,那么存在一个点 a 的去心邻域,在这个邻域内,函数 f(x) 是有界的。
即存在常数 M>0 和 δ>0,使得当 0<∣x−a∣<δ 时,有 ∣f(x)∣≤M。
意义:有极限就意味着在极限点附近不会趋于无穷大。
3. 保号性
这是非常关键的一个性质,它描述了函数值与其极限值符号之间的关系。
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正推保号:如果 x→alimf(x)=A>0(或 A<0),那么存在一个点 a 的去心邻域,在该邻域内恒有 f(x)>0(或 f(x)<0)。
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反推保号:如果在点 a 的某个去心邻域内恒有 f(x)≥0(或 f(x)≤0),并且 x→alimf(x)=A,那么 A≥0(或 A≤0)。
意义:如果一个函数在某个点有正的极限,那么在这个点附近,函数值也必然是正的。
4. 四则运算法则
假设 x→alimf(x)=A,x→alimg(x)=B,则:
- 和/差:x→alim[f(x)±g(x)]=A±B
- 积:x→alim[f(x)⋅g(x)]=A⋅B
- 商:x→alim[f(x)/g(x)]=A/B(B=0)
意义:极限可以"拆开"计算,这大大简化了复杂函数极限的求解过程。
5. 复合函数的极限运算法则
设 x→alimu(x)=b,且 u→blimf(u)=A,并且在点 a 的某个去心邻域内 u(x)=b,那么复合函数 f[u(x)] 在 x→a 时的极限存在,且 x→alimf[u(x)]=A。
意义:这允许我们通过变量代换来求解复杂的极限问题。
函数极限性质的证明
1. 唯一性的证明
定理:若 x→alimf(x) 存在,则此极限唯一。
证明:(反证法)
假设 x→alimf(x)=A 且 x→alimf(x)=B,其中 A=B。
取 ε=2∣A−B∣>0。
由极限定义:
- 存在 δ1>0,当 0<∣x−a∣<δ1 时,∣f(x)−A∣<ε
- 存在 δ2>0,当 0<∣x−a∣<δ2 时,∣f(x)−B∣<ε
取 δ=min(δ1,δ2),则当 0<∣x−a∣<δ 时,同时有:
∣f(x)−A∣<ε且∣f(x)−B∣<ε
考虑:
∣A−B∣=∣(A−f(x))+(f(x)−B)∣≤∣A−f(x)∣+∣f(x)−B∣<ε+ε=2ε
但 2ε=∣A−B∣,所以:
∣A−B∣<∣A−B∣
这产生矛盾!故假设不成立,极限唯一。
2. 局部有界性的证明
定理:若 x→alimf(x)=A,则存在 δ>0 和 M>0,使得当 0<∣x−a∣<δ 时,∣f(x)∣≤M。
证明:
取 ε=1,由极限定义,存在 δ>0,使得当 0<∣x−a∣<δ 时:
∣f(x)−A∣<1
由三角不等式:
∣f(x)∣=∣f(x)−A+A∣≤∣f(x)−A∣+∣A∣<1+∣A∣
取 M=1+∣A∣,则当 0<∣x−a∣<δ 时:
∣f(x)∣≤M
证毕。
3. 保号性的证明
定理:
- 若 x→alimf(x)=A>0,则存在 δ>0,使得当 0<∣x−a∣<δ 时,f(x)>0
- 若 x→alimf(x)=A<0,则存在 δ>0,使得当 0<∣x−a∣<δ 时,f(x)<0
证明:(以 A>0 情况为例)
取 ε=2A>0,由极限定义,存在 δ>0,使得当 0<∣x−a∣<δ 时:
∣f(x)−A∣<2A
即:
−2A<f(x)−A<2A
整理得:
2A<f(x)<23A
由于 2A>0,所以 f(x)>0。
A<0 的情况证明类似。
4. 四则运算法则的证明
定理:若 x→alimf(x)=A,x→alimg(x)=B,则:
(1) 和差法则:x→alim[f(x)±g(x)]=A±B
证明:
任给 ε>0,由极限定义:
- 存在 δ1>0,当 0<∣x−a∣<δ1 时,∣f(x)−A∣<2ε
- 存在 δ2>0,当 0<∣x−a∣<δ2 时,∣g(x)−B∣<2ε
取 δ=min(δ1,δ2),则当 0<∣x−a∣<δ 时:
∣(f(x)±g(x))−(A±B)∣=∣(f(x)−A)±(g(x)−B)∣≤∣f(x)−A∣+∣g(x)−B∣<2ε+2ε=ε
(2) 积法则:x→alim[f(x)⋅g(x)]=A⋅B
证明:
考虑:
∣f(x)g(x)−AB∣=∣f(x)g(x)−Ag(x)+Ag(x)−AB∣=∣g(x)(f(x)−A)+A(g(x)−B)∣≤∣g(x)∣∣f(x)−A∣+∣A∣∣g(x)−B∣
由局部有界性,存在 δ0>0 和 M>0,使得当 0<∣x−a∣<δ0 时,∣g(x)∣≤M。
任给 ε>0,由极限定义:
- 存在 δ1>0,当 0<∣x−a∣<δ1 时,∣f(x)−A∣<2(M+1)ε
- 存在 δ2>0,当 0<∣x−a∣<δ2 时,∣g(x)−B∣<2(∣A∣+1)ε
取 δ=min(δ0,δ1,δ2),则当 0<∣x−a∣<δ 时:
∣f(x)g(x)−AB∣≤∣g(x)∣∣f(x)−A∣+∣A∣∣g(x)−B∣<M⋅2(M+1)ε+∣A∣⋅2(∣A∣+1)ε<2ε+2ε=ε
(3) 商法则:x→alimg(x)f(x)=BA(B=0)
证明:
先证 x→alimg(x)1=B1。
由于 B=0,取 ε0=2∣B∣>0,存在 δ0>0,当 0<∣x−a∣<δ0 时:
∣g(x)−B∣<2∣B∣⇒∣g(x)∣>2∣B∣
任给 ε>0,存在 δ1>0,当 0<∣x−a∣<δ1 时:
∣g(x)−B∣<2∣B∣2ε
取 δ=min(δ0,δ1),则当 0<∣x−a∣<δ 时:
g(x)1−B1=∣g(x)∣∣B∣∣g(x)−B∣<2∣B∣⋅∣B∣∣g(x)−B∣=∣B∣22∣g(x)−B∣<∣B∣22⋅2∣B∣2ε=ε
故 x→alimg(x)1=B1。
由积法则:
x→alimg(x)f(x)=x→alimf(x)⋅g(x)1=A⋅B1=BA
第二部分:两个重要极限
这两个极限之所以"重要",是因为它们像公式一样,是推导许多其他极限和导数公式的基础。
重要极限一:x→0limxsinx=1
表达式:
x→0limxsinx=1
理解:当角度 x(以弧度为单位)无限接近于 0 时,sinx 与 x 的比值无限接近于 1。这说明在无穷小的尺度下,正弦函数与其弧度值是"等价"的。
应用与变形:
- 这个极限的核心形式是 “□sin□→1,当 □→0”
- 只要这个"□"是趋于 0 的同一个表达式,极限就是 1
例子:
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x→0lim5xsin5x=1
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x→0limx2sin(x2)=1
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x→0limxtanx=x→0limxsinx⋅cosx1=1×1=1
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计算 x→0limx21−cosx
解:利用三角恒等变换 1−cosx=2sin2(2x)
x→0limx21−cosx=x→0limx22sin2(2x)=x→0lim21⋅(2x)2sin2(2x)=21×12=21
重要极限二:x→∞lim(1+x1)x=e
表达式:
x→∞lim(1+x1)x=e(e≈2.71828…)
理解:这个极限描述了一种"连续复利"的增长模式。当计息期无限缩短(次数 x 趋于无穷大)时,本金 1 元钱在单位时间后连本带利的极限金额就是 e 元。
应用与变形:
- 核心形式:“(1+□1)□→e,当 □→∞”
- 更一般的形式:“(1+α)α1→e,当 α→0”
例子:
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x→∞lim(1+x2)x
解:令 t=2x,则当 x→∞ 时,t→∞
x→∞lim(1+x2)x=t→∞lim(1+t1)2t=[t→∞lim(1+t1)t]2=e2
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x→0lim(1+x)x1=e(这是上述极限的另一种常见形式)
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计算 x→0lim(cosx)x21
解:设 y=(cosx)x21,则 lny=x2ln(cosx)
x→0limlny利用等价无穷小:x→0limlny所以,x→0limy=x→0limx2ln(cosx)(此时为 00型)ln(cosx)=ln(1+(cosx−1))∼cosx−1∼−21x2=x→0limx2−21x2=−21=e−21
总结
- 函数极限的性质(唯一性、有界性、保号性、四则运算)是分析和计算极限的理论基础
- 两个重要极限是解决特定类型极限问题的强大工具,它们本身也是定义数学常数 e 和建立三角函数与指数函数导数公式的关键
熟练掌握这些性质和重要极限,并理解其背后的思想和变形技巧,是学好微积分的第一步。