函数的极限

一、函数极限概念

1.1 x趋于 ∞ \infty 时函数的极限

定义1: f f f为定义在 [ a , + ∞ ) [a,+\infty) [a,+)上的函数, A A A为定数。若对任给定的 ϵ > 0 \epsilon>0 ϵ>0,存在正数 M ( ≥ a ) M(\ge a) M(a),使得当 x > M x>M x>M时有:

∣ f ( x ) − A ∣ < ϵ |f(x)-A|<\epsilon f(x)A<ϵ

则称函数 f f f x x x趋于 + ∞ +\infty +时以 A A A为极限,记作:

lim ⁡ x → ∞ f ( x ) = A \lim\limits_{x\to\infty}f(x)=A xlimf(x)=A f ( x ) → A ( x → + ∞ ) f(x)\to A(x\to +\infty) f(x)A(x+)

这里 M M M用于表示 x x x充分大的程度。当 x → + ∞ x\to+\infty x+时函数 f f f A A A为极限意味着: A A A的任意小邻域内必含有 f f f + ∞ +\infty +的某邻域内的全部函数值。

函数的极限_第1张图片

1.2 x x x趋于 x 0 x_0 x0时函数的极限

f f f为定义在点 x 0 x_0 x0的某个空心邻域 U ∘ ( x 0 ) U^\circ(x_0) U(x0)内的函数。现讨论当 x x x趋于 x 0 ( x ≠ x 0 ) x_0(x\ne x_0) x0(x=x0)时,对应的函数值能否趋于某个定数 A A A。这类函数极限的精确定义如下:

定义2(函数极限的 ϵ − δ \epsilon-\delta ϵδ定义): 设函数 f f f在点 x 0 x_0 x0的某个空心邻域 U ∘ ( x 0 ; δ ′ ) U^\circ(x_0;\delta') U(x0;δ)内有定义, A A A为定数。若对任意的 ϵ > 0 \epsilon>0 ϵ>0,存在正数 δ ( < δ ′ ) \delta(<\delta') δ(<δ),使得当 0 < ∣ x − x 0 ∣ < δ 0<|x-x_0|<\delta 0<xx0<δ时有:

∣ f ( x ) − A ∣ < ϵ |f(x)-A|<\epsilon f(x)A<ϵ

则称函数 f f f x x x趋于 x 0 x_0 x0时以 A A A为极限,记作

lim ⁡ x → x 0 f ( x ) = A \lim\limits_{x\to x_0}f(x)=A xx0limf(x)=A f ( x ) → A ( x → x 0 ) f(x)\to A(x\to x_0) f(x)A(xx0)

注:

  • 定义中只要求函数 f f f x 0 x_0 x0的某一空心邻域内有定义,而一般不考虑 f f f在点 x 0 x_0 x0处的函数值是否有定义,或者取什么值。这是因为,对于函数极限我们所研究的是当 x x x趋于 x 0 x_0 x0过程中函数值的变化趋势。
  • 定义2中的不等式 0 < ∣ x − x 0 ∣ < δ 0<|x-x_0|<\delta 0<xx0<δ等价于 x ∈ U ∘ ( x 0 ; δ ) x\in U^\circ(x_0;\delta) xU(x0;δ),而不等式 ∣ f ( x ) − A ∣ < ϵ |f(x)-A|<\epsilon f(x)A<ϵ等价于 f ( x ) ∈ U ( A ; ϵ ) f(x)\in U(A;\epsilon) f(x)U(A;ϵ)。于是, ϵ − δ \epsilon-\delta ϵδ定义又可写成:
    任给 ϵ > 0 \epsilon>0 ϵ>0,存在 δ > 0 \delta>0 δ>0,使得对一切 x ∈ U ∘ ( x 0 ; δ ) x\in U^\circ(x_0;\delta) xU(x0;δ) f ( x ) ∈ U ( A ; ϵ ) f(x)\in U(A;\epsilon) f(x)U(A;ϵ)。或更简单地表达为:
    任给 ϵ > 0 \epsilon>0 ϵ>0,存在 δ > 0 \delta>0 δ>0,使得 f ( U ∘ ( x 0 ; δ ) ) ⊂ U ( A ; ϵ ) f(U^\circ(x_0;\delta))\subset U(A;\epsilon) f(U(x0;δ))U(A;ϵ)

定义3: 设函数 f f f U + ∘ ( x 0 ; δ ′ ) U^\circ_+(x_0;\delta') U+(x0;δ) U − ∘ ( x 0 ; δ ′ ) U^\circ_-(x_0;\delta') U(x0;δ)内有定义, A A A为定数。若对任给的 ϵ > 0 \epsilon>0 ϵ>0,存在正数 δ ( < δ ′ ) \delta(<\delta') δ(<δ),使当 x 0 < x < x 0 + δ x_0x0<x<x0+δ(或 x 0 − δ < x < x 0 x_0-\deltax0δ<x<x0)时有:

∣ f ( x ) − A ∣ < ϵ |f(x)-A|<\epsilon f(x)A<ϵ

则称数 A A A为函数 f f f x x x趋于 x 0 + x_0^+ x0+(或 x 0 − x_0^- x0)时的右(左)极限,记作:

lim ⁡ x → x 0 + f ( x ) = A ( lim ⁡ x → x 0 − f ( x ) = A ) \lim\limits_{x\to x_0^+}f(x)=A(\lim\limits_{x\to x_0^-}f(x)=A) xx0+limf(x)=A(xx0limf(x)=A)

或:

f ( x ) → A ( x → x 0 + ) ( f ( x ) → A ( x → x 0 − ) f(x)\to A(x\to x_0^+)(f(x)\to A(x\to x_0^-) f(x)A(xx0+)(f(x)A(xx0)

右极限与左极限统称为单侧极限。 f f f在点 x 0 x_0 x0的右极限与左极限又分别记为:

f ( x 0 + 0 ) = lim ⁡ x → x 0 + f ( x ) f(x_0+0)=\lim\limits_{x\to x_0^+}f(x) f(x0+0)=xx0+limf(x) f ( x 0 − 0 ) = lim ⁡ x → x 0 − f ( x ) f(x_0-0)=\lim\limits_{x\to x_0^-}f(x) f(x00)=xx0limf(x)

定理3.1:

lim ⁡ x → x 0 f ( x ) = A    ⟺    lim ⁡ x → x 0 + f ( x ) = lim ⁡ x → x 0 − f ( x ) = A \lim\limits_{x\to x_0}f(x)=A\iff\lim\limits_{x\to x_0^+}f(x)=\lim\limits_{x\to x_0^-}f(x)=A xx0limf(x)=Axx0+limf(x)=xx0limf(x)=A

二、函数极限的性质

定理3.2(唯一性):

若极限 lim ⁡ x → x 0 f ( x ) \lim\limits_{x\to x_0}f(x) xx0limf(x)存在,则此极限是唯一的。

定理3.3(局部有界性):

lim ⁡ x → x 0 f ( x ) \lim\limits_{x\to x_0}f(x) xx0limf(x)存在,则 f f f x 0 x_0 x0的某空心邻域 U ∘ ( x 0 ) U^\circ(x_0) U(x0)内有界。

定理3.4(局部保号性):

lim ⁡ x → x 0 f ( x ) = A > 0 \lim\limits_{x\to x_0}f(x)=A>0 xx0limf(x)=A>0(或 < 0 <0 <0),则对任何正数 r < A rr<A(或 r < − A r<-A r<A),存在 U ∘ ( x 0 ) U^\circ(x_0) U(x0),使得对一切 x ∈ U ∘ ( x 0 ) x\in U^\circ(x_0) xU(x0)

f ( x ) > r > 0 f(x)>r>0 f(x)>r>0 (或 f ( x ) < − r < 0 f(x)<-r<0 f(x)<r<0

待补充 61

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