跳到主要内容

函数的极限

函数极限的定义​

在自变量的某个变化过程中,如果对应的函数值无限接近于某个确定的数,那么这个确定的数就叫做在这一变化过程中 函数的极限 。

定义 1 - 自变量趋于有限值时函数的极限​

设函数 f(x)f(x) 在点 x0x_0 的某一去心邻域内有定义。 如果存在常数 AA,对于任意给定的正数 ε\varepsilon (不论它多么小),总存在正数 δ\delta ,使得当 xx 满足不等式 0<∣x−x0∣<δ0 < |x - x_0| < \delta 时,对应的函数值 f(x)f(x) 都满足不等式

∣f(x)−A∣<ε|f(x) - A| < \varepsilon

那么常数 AA 就叫做 函数 f(x)f(x) 当 x→x0x \to x_0 时的极限 ,记作

lim⁡x→x0f(x)=A或f(x)→A(当 x→x0)\lim_{x \to x_0} f(x) = A \quad \text{或} \quad f(x) \to A \quad (\text{当 } x \to x_0)

我们指出,定义中 0<∣x−x0∣0 < |x - x_0| 表示 x≠x0x \ne x_0 , 所以 x→x0x \to x_0 时 f(x)f(x) 有没有极限,与 f(x)f(x) 在点 x0x_0 是否有定义并无关系。

定义 1 可以简单地表述为

lim⁡x→x0f(x)=A  ⟺  ∀ε>0,  ∃δ>0,  当 0<∣x−x0∣<δ 时, 有 ∣f(x)−A∣<ε\lim_{x \to x_0} f(x) = A \iff \forall \varepsilon > 0, \; \exists \delta > 0, \; \text{当 } 0 < |x - x_0| < \delta \text{ 时}, \text{ 有 } |f(x) - A| < \varepsilon

定义 2 - 自变量趋于无穷大时函数的极限​

设函数 f(x)f(x) 当 ∣x∣|x| 大于某一正数时有定义。 如果存在常数 AA,对于任意给定的正数 ε\varepsilon(不论它多么小),总存在着正数 XX,使得当 xx 满足不等式 ∣x∣>X|x| > X 时,对应的函数值 f(x)f(x) 都满足不等式

∣f(x)−A∣<ε|f(x) - A| < \varepsilon

那么常数 AA 就叫做 函数 f(x)f(x) 当 x→∞x \to \infty 时的极限 ,记作

lim⁡x→∞f(x)=A 或 f(x)→A( 当 x→∞)\lim_{x \to \infty} f(x) = A \quad \text{ 或 } \quad f(x) \to A \quad (\text{ 当 } x \to \infty)

定义 2 可以简单地表述为

lim⁡x→∞f(x)=A  ⟺  ∀ε>0,  ∃X>0,  当 ∣x∣>X 时, 有 ∣f(x)−A∣<ε\lim_{x \to \infty} f(x) = A \iff \forall \varepsilon > 0, \; \exists X > 0, \; \text{当 } |x| > X \text{ 时}, \text{ 有 } |f(x) - A| < \varepsilon

如果 x>0x > 0 且无限增大(记作 x→+∞x \to +\infty),那么只要把上面定义中的 ∣x∣>X|x| > X 改为 x>Xx > X,就可得 lim⁡x→+∞f(x)=A\lim \limits_{x \to +\infty} f(x) = A 的定义。 同样,如果 x<0x < 0 且 ∣x∣|x| 无限增大(记作 x→−∞x \to -\infty),那么只要把 ∣x∣>X|x| > X 改为 x<−Xx < -X,便得 lim⁡x→−∞f(x)=A\lim \limits_{x \to -\infty} f(x) = A 的定义。

函数极限的性质​

定理 1 (函数极限的唯一性)​

如果 lim⁡x→x0f(x)\lim \limits_{x \to x_0} f(x) 存在,那么这极限唯一。

定理 2 (函数极限的局部有界性)​

如果 lim⁡x→x0f(x)=A\lim \limits_{x \to x_0} f(x) = A , 那么存在常数 M>0M > 0 和 δ>0\delta > 0 , 使得当 0<∣x−x0∣<δ0 < |x - x_0| < \delta 时,有 ∣f(x)∣≤M|f(x)| \leq M 。

定理 3 (函数极限的局部保号性)​

如果 lim⁡x→x0f(x)=A\lim \limits_{x \to x_0} f(x) = A ,且 A>0A > 0 (或 A<0A < 0), 那么存在常数 δ>0\delta > 0, 使得当 0<∣x−x0∣<δ0 < |x - x_0| < \delta 时, 有 f(x)>0f(x) > 0 (或 f(x)<0f(x) < 0 )。

定理 3'​

如果 lim⁡x→x0f(x)=A  (A≠0)\lim \limits_{x \to x_0} f(x) = A \; (A \neq 0) ,那么就存在着 x0x_0 的某一去心邻域 U˚(x0)\mathring{U}(x_0) ,当 x∈U˚(x0)x \in \mathring{U}(x_0) 时,就有 ∣f(x)∣>∣A∣2|f(x)| > \frac{|A|}{2} 。

推论​

由定理 3,易得以下推论:

如果在 x0x_0 的某去心邻域内 f(x)≥0f(x) \geq 0 (或 f(x)≤0f(x) \leq 0 ), 而且 lim⁡x→x0f(x)=A\lim \limits_{x \to x_0} f(x) = A ,那么 A≥0A \geq 0 (或 A≤0A \leq 0 )。

*定理 4 (函数极限与数列极限的关系)​

如果极限 lim⁡x→x0f(x)\lim \limits_{x \to x_0} f(x) 存在, {xn}\{x_n\} 为函数 f(x)f(x) 的定义域内任一收敛于 x0x_0 的数列, 且满足 xn≠x0  (n∈N+)x_n \neq x_0 \; (n \in \mathbf{N}_+) ,那么相应的函数值数列 {f(xn)}\{f(x_n)\} 必收敛,且 lim⁡n→∞f(xn)=lim⁡x→x0f(x)\lim \limits_{n \to \infty} f(x_n) = \lim \limits_{x \to x_0} f(x) 。

函数的左右极限​

函数的左右极限是指函数在某点附近左右两侧的极限值。 具体来说:

  1. 右极限:函数 f(x)f(x) 在 x=ax = a 点的右极限是指当 xx 从右侧逼近 aa 时,f(x)f(x) 的极限值,记作 lim⁡x→a+f(x)\lim \limits_{x \to a^+} f(x)。 数学表达为:lim⁡x→a+f(x)=L\lim \limits_{x \to a^+} f(x) = L 其中, LL 是函数在该点右侧的极限值。

  2. 左极限:函数 f(x)f(x) 在 x=ax = a 点的左极限是指当 xx 从左侧逼近 aa 时,f(x)f(x) 的极限值,记作 lim⁡x→a−f(x)\lim \limits_{x \to a^-} f(x)。 数学表达为:lim⁡x→a−f(x)=L\lim \limits_{x \to a^-} f(x) = L 其中, LL 是函数在该点左侧的极限值。

函数极限存在的充分必要条件​

一个函数在某点的极限存在的充分必要条件是该点 左右极限都存在且相等 。 用数学表示为:

设函数 f(x)f(x) 在 x=ax = a 处的极限为 LL ,则满足以下条件:

  1. 右极限存在,即 lim⁡x→a+f(x)=L\lim \limits_{x \to a^+} f(x) = L
  2. 左极限存在,即 lim⁡x→a−f(x)=L\lim \limits_{x \to a^-} f(x) = L
  3. 右极限与左极限相等,即 lim⁡x→a+f(x)=lim⁡x→a−f(x)=L\lim \limits_{x \to a^+} f(x) = \lim \limits_{x \to a^-} f(x) = L

曲线渐近线​

曲线的渐近线是指当曲线趋近于无穷时,曲线逐渐靠近但不相交的直线。 渐近线有水平渐近线(横向渐近线)、垂直渐近线(纵向渐近线)和斜渐近线。

水平渐近线的求法​

水平渐近线通常存在于函数的图形中,并且其方程通常为 y=ky = k,其中 kk 是常数。 对于函数 y=f(x)y = f(x),当 xx 趋近于无穷大或无穷小时,如果 yy 趋近于某个常数 kk,则这个常数 kk 所对应的直线 y=ky = k 就是水平渐近线。 求水平渐近线的方法如下:

  1. 计算 lim⁡x→+∞f(x)\lim \limits_{x \to +\infty} f(x),得到的极限值就是水平渐近线的 yy 坐标;
  2. 计算 lim⁡x→−∞f(x)\lim \limits_{x \to -\infty} f(x),得到的极限值也是水平渐近线的 yy 坐标。

如果这两个极限存在且相等,则水平渐近线就是 y=ky = k。

例如,对于函数 f(x)=1xf(x) = \frac{1}{x},我们计算:

lim⁡x→+∞1x=0和lim⁡x→−∞1x=0\lim_{{x \to +\infty}} \frac{1}{x} = 0 \quad \text{和} \quad \lim_{{x \to -\infty}} \frac{1}{x} = 0

因此,y=0y = 0 是 f(x)=1xf(x) = \frac{1}{x} 的水平渐近线。

垂直渐近线的求法​

垂直渐近线通常存在于函数的图形中,并且其方程通常为 x=hx = h,其中 hh 是常数。 对于函数 y=f(x)y = f(x),如果在某个有限的 xx 值 hh 处,f(x)f(x) 的值趋近于无穷大或无穷小,则 x=hx = h 就是垂直渐近线。 求垂直渐近线的方法如下:

  1. 找到函数的分母为零但分子不为零的点,因为这些点可能是函数的无穷点;
  2. 计算 lim⁡x→h+f(x)\lim \limits_{{x \to h^+}} f(x) 或 lim⁡x→h−f(x)\lim \limits_{{x \to h^-}} f(x),如果极限值趋于无穷大或无穷小,则 x=hx = h 就是垂直渐近线。

例如,对于函数 g(x)=1x−2g(x) = \frac{1}{x-2},我们找到函数的分母为零的点 x=2x = 2,然后计算:

lim⁡x→2+1x−2=+∞和lim⁡x→2−1x−2=−∞\lim_{{x \to 2^+}} \frac{1}{x-2} = +\infty \quad \text{和} \quad \lim_{{x \to 2^-}} \frac{1}{x-2} = -\infty

因此,x=2x = 2 是 g(x)=1x−2g(x) = \frac{1}{x-2} 的垂直渐近线。