函数极限的性质与两个重要极限

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 limxaf(x)=A\lim\limits_{x \to a} f(x) = Alimxag(x)=B\lim\limits_{x \to a} g(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)f(x)xax \to 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 limxaf(x)\lim\limits_{x \to a} f(x) 存在,那么存在一个点 aa 的去心邻域,在这个邻域内,函数 f(x)f(x)有界的

即存在常数 M>0M > 0δ>0\delta > 0,使得当 0<xa<δ0 < |x - a| < \delta 时,有 f(x)M|f(x)| \leq 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。

  • 正推保号:如果 limxaf(x)=A>0\lim\limits_{x \to a} f(x) = A > 0(或 A<0A < 0),那么存在一个点 aa 的去心邻域,在该邻域内恒有 f(x)>0f(x) > 0(或 f(x)<0f(x) < 0)。

  • 反推保号:如果在点 aa 的某个去心邻域内恒有 f(x)0f(x) \ge 0(或 f(x)0f(x) \le 0),并且 limxaf(x)=A\lim\limits_{x \to a} f(x) = A,那么 A0A \ge 0(或 A0A \le 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 limxaf(x)=A\lim\limits_{x \to a} f(x) = Alimxag(x)=B\lim\limits_{x \to a} g(x) = B,则:

  • 和/差limxa[f(x)±g(x)]=A±B\lim\limits_{x \to a} [f(x) \pm g(x)] = A \pm B
  • limxa[f(x)g(x)]=AB\lim\limits_{x \to a} [f(x) \cdot g(x)] = A \cdot B
  • limxa[f(x)/g(x)]=A/B(B0)\lim\limits_{x \to a} [f(x) / g(x)] = A / B \quad (B \neq 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

limxau(x)=b\lim\limits_{x \to a} u(x) = b,且 limubf(u)=A\lim\limits_{u \to b} f(u) = A,并且在点 aa 的某个去心邻域内 u(x)bu(x) \neq b,那么复合函数 f[u(x)]f[u(x)]xax \to a 时的极限存在,且 limxaf[u(x)]=A\lim\limits_{x \to a} f[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 limxaf(x)\lim\limits_{x \to a} f(x) 存在,则此极限唯一。

证明:(反证法)

假设 limxaf(x)=A\lim\limits_{x \to a} f(x) = Alimxaf(x)=B\lim\limits_{x \to a} f(x) = B,其中 ABA \neq B

ε=AB2>0\varepsilon = \frac{|A - B|}{2} > 0

由极限定义:

  • 存在 δ1>0\delta_1 > 0,当 0<xa<δ10 < |x - a| < \delta_1 时,f(x)A<ε|f(x) - A| < \varepsilon
  • 存在 δ2>0\delta_2 > 0,当 0<xa<δ20 < |x - a| < \delta_2 时,f(x)B<ε|f(x) - B| < \varepsilon

δ=min(δ1,δ2)\delta = \min(\delta_1, \delta_2),则当 0<xa<δ0 < |x - a| < \delta 时,同时有:

f(x)A<εf(x)B<ε|f(x) - A| < \varepsilon \quad \text{且} \quad |f(x) - B| < \varepsilon

考虑:

AB=(Af(x))+(f(x)B)Af(x)+f(x)B<ε+ε=2ε|A - B| = |(A - f(x)) + (f(x) - B)| \leq |A - f(x)| + |f(x) - B| < \varepsilon + \varepsilon = 2\varepsilon

2ε=AB2\varepsilon = |A - B|,所以:

AB<AB|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 limxaf(x)=A\lim\limits_{x \to a} f(x) = A,则存在 δ>0\delta > 0M>0M > 0,使得当 0<xa<δ0 < |x - a| < \delta 时,f(x)M|f(x)| \leq M

证明

ε=1\varepsilon = 1,由极限定义,存在 δ>0\delta > 0,使得当 0<xa<δ0 < |x - a| < \delta 时:

f(x)A<1|f(x) - A| < 1

由三角不等式:

f(x)=f(x)A+Af(x)A+A<1+A|f(x)| = |f(x) - A + A| \leq |f(x) - A| + |A| < 1 + |A|

M=1+AM = 1 + |A|,则当 0<xa<δ0 < |x - a| < \delta 时:

f(x)M|f(x)| \leq M

证毕。


3. 保号性的证明

定理

  • limxaf(x)=A>0\lim\limits_{x \to a} f(x) = A > 0,则存在 δ>0\delta > 0,使得当 0<xa<δ0 < |x - a| < \delta 时,f(x)>0f(x) > 0
  • limxaf(x)=A<0\lim\limits_{x \to a} f(x) = A < 0,则存在 δ>0\delta > 0,使得当 0<xa<δ0 < |x - a| < \delta 时,f(x)<0f(x) < 0

证明:(以 A>0A > 0 情况为例)

ε=A2>0\varepsilon = \frac{A}{2} > 0,由极限定义,存在 δ>0\delta > 0,使得当 0<xa<δ0 < |x - a| < \delta 时:

f(x)A<A2|f(x) - A| < \frac{A}{2}

即:

A2<f(x)A<A2-\frac{A}{2} < f(x) - A < \frac{A}{2}

整理得:

A2<f(x)<3A2\frac{A}{2} < f(x) < \frac{3A}{2}

由于 A2>0\frac{A}{2} > 0,所以 f(x)>0f(x) > 0

A<0A < 0 的情况证明类似。


4. 四则运算法则的证明

定理:若 limxaf(x)=A\lim\limits_{x \to a} f(x) = Alimxag(x)=B\lim\limits_{x \to a} g(x) = B,则:

(1) 和差法则:limxa[f(x)±g(x)]=A±B\lim\limits_{x \to a} [f(x) \pm g(x)] = A \pm B

证明

任给 ε>0\varepsilon > 0,由极限定义:

  • 存在 δ1>0\delta_1 > 0,当 0<xa<δ10 < |x - a| < \delta_1 时,f(x)A<ε2|f(x) - A| < \frac{\varepsilon}{2}
  • 存在 δ2>0\delta_2 > 0,当 0<xa<δ20 < |x - a| < \delta_2 时,g(x)B<ε2|g(x) - B| < \frac{\varepsilon}{2}

δ=min(δ1,δ2)\delta = \min(\delta_1, \delta_2),则当 0<xa<δ0 < |x - a| < \delta 时:

(f(x)±g(x))(A±B)=(f(x)A)±(g(x)B)f(x)A+g(x)B<ε2+ε2=ε\begin{aligned} |(f(x) \pm g(x)) - (A \pm B)| &= |(f(x) - A) \pm (g(x) - B)| \\ &\leq |f(x) - A| + |g(x) - B| \\ &< \frac{\varepsilon}{2} + \frac{\varepsilon}{2} = \varepsilon \end{aligned}

(2) 积法则:limxa[f(x)g(x)]=AB\lim\limits_{x \to a} [f(x) \cdot g(x)] = A \cdot 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+Ag(x)B\begin{aligned} |f(x)g(x) - AB| &= |f(x)g(x) - Ag(x) + Ag(x) - AB| \\ &= |g(x)(f(x) - A) + A(g(x) - B)| \\ &\leq |g(x)||f(x) - A| + |A||g(x) - B| \end{aligned}

由局部有界性,存在 δ0>0\delta_0 > 0M>0M > 0,使得当 0<xa<δ00 < |x - a| < \delta_0 时,g(x)M|g(x)| \leq M

任给 ε>0\varepsilon > 0,由极限定义:

  • 存在 δ1>0\delta_1 > 0,当 0<xa<δ10 < |x - a| < \delta_1 时,f(x)A<ε2(M+1)|f(x) - A| < \frac{\varepsilon}{2(M + 1)}
  • 存在 δ2>0\delta_2 > 0,当 0<xa<δ20 < |x - a| < \delta_2 时,g(x)B<ε2(A+1)|g(x) - B| < \frac{\varepsilon}{2(|A| + 1)}

δ=min(δ0,δ1,δ2)\delta = \min(\delta_0, \delta_1, \delta_2),则当 0<xa<δ0 < |x - a| < \delta 时:

f(x)g(x)ABg(x)f(x)A+Ag(x)B<Mε2(M+1)+Aε2(A+1)<ε2+ε2=ε\begin{aligned} |f(x)g(x) - AB| &\leq |g(x)||f(x) - A| + |A||g(x) - B| \\ &< M \cdot \frac{\varepsilon}{2(M + 1)} + |A| \cdot \frac{\varepsilon}{2(|A| + 1)} \\ &< \frac{\varepsilon}{2} + \frac{\varepsilon}{2} = \varepsilon \end{aligned}

(3) 商法则:limxaf(x)g(x)=AB(B0)\lim\limits_{x \to a} \frac{f(x)}{g(x)} = \frac{A}{B} \quad (B \neq 0)

证明

先证 limxa1g(x)=1B\lim\limits_{x \to a} \frac{1}{g(x)} = \frac{1}{B}

由于 B0B \neq 0,取 ε0=B2>0\varepsilon_0 = \frac{|B|}{2} > 0,存在 δ0>0\delta_0 > 0,当 0<xa<δ00 < |x - a| < \delta_0 时:

g(x)B<B2g(x)>B2|g(x) - B| < \frac{|B|}{2} \Rightarrow |g(x)| > \frac{|B|}{2}

任给 ε>0\varepsilon > 0,存在 δ1>0\delta_1 > 0,当 0<xa<δ10 < |x - a| < \delta_1 时:

g(x)B<B22ε|g(x) - B| < \frac{|B|^2}{2} \varepsilon

δ=min(δ0,δ1)\delta = \min(\delta_0, \delta_1),则当 0<xa<δ0 < |x - a| < \delta 时:

1g(x)1B=g(x)Bg(x)B<g(x)BB2B=2g(x)BB2<2B2B22ε=ε\begin{aligned} \left|\frac{1}{g(x)} - \frac{1}{B}\right| &= \frac{|g(x) - B|}{|g(x)||B|} \\ &< \frac{|g(x) - B|}{\frac{|B|}{2} \cdot |B|} = \frac{2|g(x) - B|}{|B|^2} \\ &< \frac{2}{|B|^2} \cdot \frac{|B|^2}{2} \varepsilon = \varepsilon \end{aligned}

limxa1g(x)=1B\lim\limits_{x \to a} \frac{1}{g(x)} = \frac{1}{B}

由积法则:

limxaf(x)g(x)=limxaf(x)1g(x)=A1B=AB\lim\limits_{x \to a} \frac{f(x)}{g(x)} = \lim\limits_{x \to a} f(x) \cdot \frac{1}{g(x)} = A \cdot \frac{1}{B} = \frac{A}{B}

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:limx0sinxx=1\lim\limits_{x \to 0} \frac{\sin x}{x} = 1

表达式

limx0sinxx=1\lim_{x \to 0} \frac{\sin x}{x} = 1

理解:当角度 xx(以弧度为单位)无限接近于 00 时,sinx\sin xxx 的比值无限接近于 11。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 sin1\frac{\sin \Box}{\Box} \to 1,当 0\Box \to 0
  • 只要这个"\Box"是趋于 00 的同一个表达式,极限就是 11

例子

  1. limx0sin5x5x=1\lim\limits_{x \to 0} \frac{\sin 5x}{5x} = 1

  2. limx0sin(x2)x2=1\lim\limits_{x \to 0} \frac{\sin(x^2)}{x^2} = 1

  3. limx0tanxx=limx0sinxx1cosx=1×1=1\lim\limits_{x \to 0} \frac{\tan x}{x} = \lim\limits_{x \to 0} \frac{\sin x}{x} \cdot \frac{1}{\cos x} = 1 \times 1 = 1

  4. 计算 limx01cosxx2\lim\limits_{x \to 0} \frac{1 - \cos x}{x^2}

    解:利用三角恒等变换 1cosx=2sin2(x2)1 - \cos x = 2\sin^2(\frac{x}{2})

    limx01cosxx2=limx02sin2(x2)x2=limx012sin2(x2)(x2)2=12×12=12\begin{aligned} \lim_{x \to 0} \frac{1 - \cos x}{x^2} &= \lim_{x \to 0} \frac{2\sin^2(\frac{x}{2})}{x^2} \\ &= \lim_{x \to 0} \frac{1}{2} \cdot \frac{\sin^2(\frac{x}{2})}{(\frac{x}{2})^2} \\ &= \frac{1}{2} \times 1^2 = \frac{1}{2} \end{aligned}

重要极限二:limx(1+1x)x=e\lim\limits_{x \to \infty} (1 + \frac{1}{x})^x = e

表达式

limx(1+1x)x=e(e2.71828)\lim_{x \to \infty} \left(1 + \frac{1}{x}\right)^x = e \quad (e \approx 2.71828\ldots)

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 xx 趋于无穷大)时,本金 11 元钱在单位时间后连本带利的极限金额就是 ee 元。

应用与变形

  • 核心形式:(1+1)e(1 + \frac{1}{\Box})^\Box \to e,当 \Box \to \infty
  • 更一般的形式:(1+α)1αe(1 + \alpha)^{\frac{1}{\alpha}} \to e,当 α0\alpha \to 0

例子

  1. limx(1+2x)x\lim\limits_{x \to \infty} (1 + \frac{2}{x})^x

    解:令 t=x2t = \frac{x}{2},则当 xx \to \infty 时,tt \to \infty

    limx(1+2x)x=limt(1+1t)2t=[limt(1+1t)t]2=e2\begin{aligned} \lim_{x \to \infty} \left(1 + \frac{2}{x}\right)^x &= \lim_{t \to \infty} \left(1 + \frac{1}{t}\right)^{2t} \\ &= \left[\lim_{t \to \infty} \left(1 + \frac{1}{t}\right)^t\right]^2 = e^2 \end{aligned}

  2. limx0(1+x)1x=e\lim\limits_{x \to 0} (1 + x)^{\frac{1}{x}} = e(这是上述极限的另一种常见形式)

  3. 计算 limx0(cosx)1x2\lim\limits_{x \to 0} (\cos x)^{\frac{1}{x^2}}

    解:设 y=(cosx)1x2y = (\cos x)^{\frac{1}{x^2}},则 lny=ln(cosx)x2\ln y = \frac{\ln(\cos x)}{x^2}

    limx0lny=limx0ln(cosx)x2(此时为 00)利用等价无穷小:ln(cosx)=ln(1+(cosx1))cosx112x2limx0lny=limx012x2x2=12所以,limx0y=e12\begin{aligned} \lim_{x \to 0} \ln y &= \lim_{x \to 0} \frac{\ln(\cos x)}{x^2} \quad (\text{此时为 } \frac{0}{0} \text{型}) \\ \text{利用等价无穷小:} & \ln(\cos x) = \ln(1 + (\cos x - 1)) \sim \cos x - 1 \sim -\frac{1}{2}x^2 \\ \lim_{x \to 0} \ln y &= \lim_{x \to 0} \frac{-\frac{1}{2}x^2}{x^2} = -\frac{1}{2} \\ \text{所以,} \lim_{x \to 0} y &= e^{-\frac{1}{2}} \end{aligned}

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 ee 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。


函数极限的性质与两个重要极限
https://www.apaperclip.eu.org/2025/10/18/2025-10-18-函数极限的性质和两个重要极限/
作者
qingsi
发布于
2025年10月18日
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