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1.3 函数极限的概念与性质

1.3.1 邻域

δ 邻域. 设 x0 是数轴上一个点, δ 是某一正数,则称 (x0δ,x0+δ) 为点 x0δ 邻域,记作 U(x0,δ) ,即

U(x0,δ)={xx0δ<x<x0+δ}={x||xx0∣<δ},

其中点 x0 称为邻域的中心, δ 称为邻域的半径.

②去心 δ 邻域. 定义点 x0 的去心邻域 U(x0,δ)={x|0<|xx0∣<δ} .

③左、右 δ 邻域. {x0<xx0<δ} 称为点 x0 的右 δ 邻域,记作 U+(x0,δ);{x0<x0x<δ} 称为点 x0 的左 δ 邻域,记作 U(x0,δ) .

④邻域与区间 (区域). 邻域当然属于区间 (区域) 的范畴, 但事实上, 邻域通常表示 “一个局部位置”,比如 “点 x0δ 邻域” 就可以称为 “点 x0 的附近”. 于是,函数 f(x) 在点 x0 的某 δ 邻域内有定义也就是函数 f(x) 在点 x0 的附近有定义,这个 “附近” 到底有多近多远,既难以说明也没有必要说明.

【注】关于邻域的一组概念非常重要, 因为我们将要 “在一个局部位置” 细致地研究问题.

1.3.2 函数极限的定义

设函数 f(x) 在点 x0 的某一去心邻域内有定义. 若存在常数 A ,对于任意给定的 ε>0 (不论它多么小),总存在正数 δ ,使得当 0<|xx0|<δ 时,对应的函数值 f(x) 都满足不等式 |f(x)A|<ε ,则 A 叫作函数 f(x)xx0 时的极限,记为

limxx0f(x)=A 或 f(x)A(xx0).

写成 “ εδ 语言 ”: limxx0f(x)=Aε>0,δ>0 ,当 0<|xx0|<δ 时,有 |f(x)A|<ε .

【注 1】符号 “ ” 是英文 Arbitrary (任意的 ) 的首字母上下方向倒着写出来的; 符号 “ ” 是英文 Exist(存在) 的首字母左右方向倒着写出来的.

【注 2】

f(x)Af(x)f(x)+f(x)
xx0ε>0,δ>0,使得当0<|xx0|<δ时,有|f(x)A|<εM>0,δ>0,使得当0<|xx0|<δ时,有|f(x)|>MM>0,δ>0,使得当0<|xx0|<δ时,有f(x)>MM>0,δ>0,使得当0<|xx0|<δ时,有f(x)<M
xx0+(右极限)ε>0,δ>0,使得当0<xx0<δ时,有|f(x)A|<εM>0,δ>0,使得当0<xx0<δ时,有|f(x)|>MM>0,δ>0,使得当0<xx0<δ时,有f(x)>MM>0,δ>0,使得当0<xx0<δ时,有f(x)<M
xx0(左极限)ε>0,δ>0,使得当0<x0x<δ时,有|f(x)A|<εM>0,δ>0,使得当0<x0x<δ时,有|f(x)|>MM>0,δ>0,使得当0<x0x<δ时,有f(x)>MM>0,δ>0,使得当0<x0x<δ时,有f(x)<M
xε>0,X>0,使得当|x|>X时,有|f(x)A|<εM>0,X>0,使得当|x|>X时,有|f(x)|>MM>0,X>0,使得当|x|>X时,有f(x)>MM>0,X>0,使得当|x|>X时,有f(x)<M
x+ε>0,X>0,使得当x>X时,有|f(x)A|<εM>0,X>0,使得当x>X时,有|f(x)|>MM>0,X>0,使得当x>X时,有f(x)>MM>0,X>0,使得当x>X时,有f(x)<M
xε>0,X>0,使得当x<X时,有|f(x)A|<εM>0,X>0,使得当x<X时,有|f(x)|>MM>0,X>0,使得当x<X时,有f(x)>MM>0,X>0,使得当x<X时,有f(x)<M

【例 1.14】 已知 limx0f(x)x2 存在,且函数

f(x)=xsinxx+x2limx0f(x)1cosx,

limx0f(x)x2=() .

(A) 13   (B) 13   (C) 16   (D) 16

解 应选 (D).

limx0f(x)x2=A ,且 x0 时, 1cosx12x2 ,于是 f(x)=xsinxx+2x2A ,则

f(x)x2=xsinxx3+2A,

上式两端同时取 x0 时的极限,有

A=limx0xsinxx3+2A,

A=16+2A

A=16 . 故选 (D).

附注:

计算极限 limx0xsinxx3

首先,回顾一下 sinx 的泰勒级数展开:

sinx=xx36+O(x5)

x0 的极限下,高阶项 O(x5) 可以忽略。因此,

sinxxx36

现在将 sinx 代入原式:

xsinxx3=x(xx36)x3

化简分子:

x(xx36)=xx+x36=x36

所以,原式变为:

x36x3=x36x3=16

因此,极限是:

limx0xsinxx3=16

这个计算结果是:

16

1.3.3 函数极限的性质

(1) 唯一性

如果极限 limxx0f(x) 存在,那么极限唯一.

【注】(1) 函数极限存在的充要条件.

limxx0f(x)=Alimxx0f(x)=A 且 limxx0+f(x)=A,limxx0f(x)=Af(x)=A+α(x),limxx0α(x)=0.

(2) 关于唯一性的说明.

① 对于 x ,意味着 x+x ;

② 对于 xx0 ,意味着 xx0+xx0 .

我们称这个细节的问题为自变量取值的 “双向性 (有正有负)”, 基于此, 我们看几个重要的函数极限问题.

limxex 不存在,因为 limx+ex=+,limxex=0 ,根据 “极限若存在,必唯一”,得原极限不存在;

limx0sinx|x| 不存在,因为 limx0+sinx|x|=limx0+sinxx=1,limx0sinx|x|=limx0sinxx=1 ;

limxarctanx 不存在,因为 limx+arctanx=π2,limxarctanx=π2 ;

limx0[x] 不存在,因为 limx0+[x]=0,limx0[x]=1 ;

⑤分段函数分段点两侧表达式不同, 需分别求左、右极限.

【例 1.15】 当 x1 时,函数 e1x1ln|1+x|(ex1)(x2) 的极限 () .

(A) 等于 1   (B) 等于 0   (C) 为   (D) 不存在且不为

解 应选 (D).

函数 e1x1ln|1+x|(ex1)(x2)x=1 处没有定义,在 x=1 的两侧表达式虽然相同,但是注意到当 x1 时,

1x1 左、右极限不相等,因此应该考虑单侧极限.

limx1e1x1ln|1+x|(ex1)(x2)=0,limx1+e1x1ln|1+x|(ex1)(x2)=,

可知当 x1 时,函数 e1x1ln|1+x|(ex1)(x2) 的极限不存在且不为 ,故选 (D).

【注】对于上述 limx1e1x1 的情形,由于 limx1+1x1limx11x1 不相等,因此不能忽视左极限与右极限, 否则会导致错误, 这是这类问题经常出现错误的原因.

【例 1.16】 设 g(x)={2x,x0,2+x,x>0,f(x)={x2,x<0,x1,x0,limx0g[f(x)]() .

(A) 为 3   (B) 为 2   (C) 为 1   (D) 不存在

解 应选 (D).

由例 1.5 可知,

g[f(x)]={3+x,x0,2+x2,x<0.

limx0+g[f(x)]=limx0+(3+x)=3limx0g[f(x)]=limx0(2+x2)=2 ,故 limx0g[f(x)] 不存在.

(2) 局部有界性

如果 limxx0f(x)=A ,则存在正常数 Mδ ,使得当 0<|xx0|<δ 时,有 |f(x)|M .

【注】① 设 limxf(x) 存在,则当 x 时, f(x) 有界. 其中 “ x ” 是指 xx0,xx0,xx0+ , x±,x,x+ 六种情形. 值得注意的是,极限存在只是函数局部有界的充分条件,并非必要条件; 如 y=sinx 在任意区间上有界. 但 limx+sinx 不存在

② 若 y=f(x)[a,b] 上为连续函数,则 f(x)[a,b] 上必定有界;

③ 若 f(x)(a,b) 内为连续函数,且 limxa+f(x)limxbf(x) 都存在,则 f(x)(a,b) 内必定有界;

④有界函数与有界函数的和、差、积仍为有界函数.

【例 1.17】 在下列区间内,函数 f(x)=xsin(x3)(x1)(x3)2 有界的是 () .

(A) (2,1)   (B) (1,0)   (C) (1,2)   (D) (2,3)

解 应选 (B).

所给选项皆为开区间, 因此不能直接利用连续函数在闭区间上的有界性定理. 可以考虑在开区间两个端点处函数的极限是否存在.

由于 f(x)x1=1,x2=3 处没有定义,因此当 x1,x3 时, f(x) 为初等函数且为连续函数. 又由

limx1f(x)=limx1xsin(x3)(x1)(x3)2=,limx3f(x)=limx3xsin(x3)(x1)(x3)2=,

可知在区间端点为 1 或 3 的开区间内, f(x) 均为无界函数,故选 (B).

(3) 局部保号性

如果 f(x)A(xx0)A>0 (或 A<0 ),那么存在常数 δ>0 , 使得当 0<|xx0|<δ 时,有 f(x)>0 (或 f(x)<0 ). 如果在 x0 的某去心邻域内 f(x)0 (或 f(x)0 ) 且 limxx0f(x)=A ,则 A0 (或 A0 ).

limf>0f>0
limf<0f<0
(脱帽严格不等)

f0limf0
f0limf0
(戴帽非严格不等)


【注】证明 limxx0f(x)=A(A>0)ε>0 ,存在 δ>0 ,使得当 0<|xx0|<δ 时,有 |f(x)A|<ε .

ε=A2>0 ,即有 |f(x)A|<A2 ,所以 f(x)>A2>0 ,证毕.

若取 ε=2A ,则 A<f(x)<3A ,此范围不够精确,不能用于证明此结论.

lim我=你: 即使给我整个世界,我也只在你身边.

【例 1.18】 已知 f(x)x=0 的某个邻域内连续,且 limx0f(x)1cosx=1 ,则存在 δ>0,() .

(A) 当 x(δ,0) 时, f(x)>0 ; 当 x(0,δ) 时, f(x)<0

(B) 当 x(δ,0) 时, f(x)<0 ; 当 x(0,δ) 时, f(x)>0

(C) 当 x(δ,0) 时, f(x)>0 ; 当 x(0,δ) 时, f(x)>0

(D) 当 x(δ,0) 时, f(x)<0 ; 当 x(0,δ) 时, f(x)<0

解 应选 (D).

由于

limx0f(x)1cosx=limx02f(x)x2=1,

limx0f(x)x2=12<0 ,由极限的局部保号性可知,在 x=0 的某去心邻域内有 f(x)x2<0 ,即 f(x)<0 ,从而选 (D).

1.3.4 无穷小的定义

如果当 xx0 (或 x ) 时,函数 f(x) 的极限为零,那么称函数 f(x) 为当 xx0 (或 x ) 时的无穷小,记为

limxx0f(x)=0 (或 limxf(x)=0 ). 

【注】无穷小包括 { 本身就是 0 是一个常数  本身不是 0, 是趋于 0 的 f(x) 或 {xn} 是一个极限过程 

【注】(脱帽法) limxf(x)=Af(x)=A+α ,这里 limxα=0 ,即 αx 时的无穷小.

1.3.5 无穷小的性质

①有限个无穷小的和是无穷小.

②有界函数与无穷小的乘积是无穷小.

③有限个无穷小的乘积是无穷小.

1.3.6 无穷小的比阶

设在自变量的同一变化过程中, limα(x)=0,limβ(x)=0 ,且 β(x)0 ,则

①若 limα(x)β(x)=0 ,则称 α(x) 是比 β(x) 高阶的无穷小,记为 α(x)=o(β(x)) ;

②若 limα(x)β(x)= ,则称 α(x) 是比 β(x) 低阶的无穷小;

③若 limα(x)β(x)=c0 ,则称 α(x)β(x) 是同阶无穷小;

④若 limα(x)β(x)=1 ,则称 α(x)β(x) 是等价无穷小,记为 α(x)β(x) ;

⑤若 limα(x)[β(x)]k=c0,k>0 ,则称 α(x)β(x)k 阶无穷小.

【注】 并不是任意两个无穷小都可进行比阶的. 例如,当 x0 时, xsin1xx2 虽然都是无穷小,

但是却不可以比阶,也就是说既无高低阶之分,也无同阶可言,因为 limx0xsin1xx2=limx01xsin1x 不存在.

1.3.7. 常用的等价无穷小

x0 时,常用的等价无穷小有

sinxx,tanxx,arcsinxx,arctanxx,ln(1+x)x,ex1x,ax1xlna,1cosx12x2,(1+x)a1ax.

【注】使用时一般都要做广义化: 可将 x 替换为趋向于 0 的函数,请灵活使用.

【注】在应用等价无穷小时,只能用于乘除,不能用于加减 例如 tanxsinx 的等价无穷小并不是 0,而是 tanx(1cosx)x12x212x3

1.3.8 无穷大的定义

如果当 xx0 (或 x ) 时,函数 |f(x)| 无限增大,那么称函数 f(x) 为当 xx0 (或 x ) 时的无穷大, 记为

limxx0f(x)= (或 limxf(x)= ) . 

无穷大同无穷小,也是一个极限过程
无穷大一定无界,但无界不一定是无穷大量

这是一个数学分析中的重要概念。我们来详细解释一下为什么“无穷大一定无界,但无界不一定是无穷大量”。

无穷大与无界的定义

  1. 无穷大:如果一个数列或函数在某个点处趋向于正无穷或负无穷,我们称其为无穷大。例如,数列 an=n 趋向于无穷大,因为当 n 时,an

  2. 无界:如果一个数列或函数的取值范围在某个区间内没有上界或下界,我们称其为无界。例如,数列 an=(1)nn 是无界的,因为它的取值会随着 n 增大而变得越来越大,虽然它的值是正负交替的。

无穷大一定无界

无穷大的数列或函数意味着它的值会超过任何有限的数,所以它没有一个上界或下界。因此,无穷大的数列或函数一定是无界的。

举个例子,数列 an=n 是无穷大的,因为对于任意给定的数 M,存在一个整数 N,使得当 n>N 时,an>M。这也意味着数列 an 是无界的,因为它的值可以无限增大。

无界不一定是无穷大量

无界的数列或函数只需要没有上界或下界,但它不一定在某个点上趋向于正无穷或负无穷。

举个例子,数列 an=(1)nn 是无界的,因为它的绝对值随着 n 的增大而增大,但它不是无穷大的,因为它没有在某个点上趋向于正无穷或负无穷。实际上,它的值在正负之间交替变化。

总结

  • 无穷大:意味着数列或函数趋向于正无穷或负无穷,一定是无界的。
  • 无界:只意味着数列或函数没有上界或下界,但不一定趋向于正无穷或负无穷。

因此,无穷大一定是无界的,而无界不一定是无穷大的。

【注】无穷小与无穷大的关系.

在自变量的同一变化过程中,如果 f(x) 为无穷大,则 1f(x) 为无穷小; 反之,如果 f(x) 为无穷小, 且 f(x)0 ,则 1f(x) 为无穷大.

则 ↘用除法的新颖观点来理解“无穷”.

11/2=2(次)11212=0

11/4=4(次)114141414=0

10=不存在1000

limx0+1x=+(次)1xx=0

【例 1.19】 设 x0 时, etanxesinxxn 是同阶无穷小,则 n 为 ( ).

(A) 1   (B) 2

(C) 3   (D) 4

解 应选 (C). 当 x0 时,

etanxesinx=esinx(etanxsinx1)=1(etanxsinx1)tanxsinx=tanx(1cosx)12x3,

因此选 (C).

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