当前课程知识点:微积分(先修课) > 第一章 极限 > 1.2 极限的概念 > 1.2.1 极限的概念(1)
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微积分MOOC课程
今天我们讲
第一章极限
第二节极限的概念(1)
本讲将要介绍的
函数在一点的极限概念
极限研究的是
在一个变量的某种变化过程中
与之相关的另外一个变量的变化情况
对于函数 f(x)来说
极限指的是
在自变量的一定趋向下
函数值f(x)的趋向
为了更好地理解函数极限的定义
我们首先要理解一下自变量x的六种变化趋向
我们说x趋向x0
用数学符号记作x趋向x0
它表示的是
动点x无限逼近定点x0
但是永远不等于x0的过程
我们说x从左侧趋向x0
记作x趋向x0负
它表示的是动点x无限逼近定点x0
但永远小于x0的过程
我们说x从右侧趋向x0
记作x趋向x0正
它表示的是动点x无限逼近定点x0
但永远大于x0的过程
x趋向正无穷大
记作x趋向于正无穷
它表示的是动点x的值无限增大的过程
在这个变化过程中
x的值可以大于任意指定的数
x趋向负无穷大
记作x趋向负无穷
它表示的是动点x的值无限减小的过程
在这个变化过程中
x的值可以小于任意指定的数
x趋向无穷大
记作x趋向无穷
它表示的是动点x的绝对值无限增大的过程
在这个变化过程中
x的绝对值的值可以大于任意指定的数
上面的六个变化过程
其中有三个刻画的是
自变量x趋向一个确定点的情况
而另外三个刻画的是
x在实轴上的点离原点的距离
趋向无穷的情况
这是我们在考虑函数的极限问题时
我们需要考虑的自变量x的六个变化过程
下面我们来介绍
函数在一点的极限
为了书写方便
我们给出邻域的概念
定义1 设x0是个实数
δ是一个大于0的数
我们称到x0的距离小于δ的点
构成的集合为x0的邻域
记作U(x0,δ)
也就是x0的δ邻域 U(x0,δ)
是以x0为中心
δ为半长的一个开区间
我们讲到的距离小于δ
大于0的点构成的集合
称为x0的去心邻域
记作U0(x0,δ)
去心邻域是由
x0减δ到x0这个开区间
与x0到x0加δ这个开区间的并集构成的
它是在x0δ邻域中
将x0去掉之后形成的那个集合
接下来我们就给出
函数在x趋向x0时的极限
定义2 设函数f(x)在x0的某个去心邻域内有定义
若当x趋向x0时
函数值f(x)趋向某个常数A
我们就称函数f(x)在x趋向x0时有极限
常数A的值就称为函数f(x)在趋向x0时的极限
我们记作limit x趋向x0时
f(x)的极限等于A
从极限的定义我们可以看出
由于极限反映的是
当x趋向x0时对应的函数值f(x)的变化情况
所以在x0这点函数是否有极限
当极限存在时
极限值的大小是什么
都与f(x)在x0这点的情况无关
在定义2中我们用的是
文字描述的方法
给出了一个数学的定义
在这里面x趋向x0
以及f(x)趋向某个常数A
我们是用直观的语言来刻画的
但是在数学上
什么叫x趋向x0
什么叫f(x)趋向某个常数A
我们可以用下面严格的数学语言
来重新表述一下这个定义
极限定义的严格描述是
我们假设函数f(x)在x0的某去心邻域有定义
A是一个常数
若对于任意的正数ε
总存在正数δ
使得当x到x0的距离小于δ而大于0时
我们总有f(x)减A的绝对值小于ε
这时我们就称函数f(x)在x趋向x0时的极限是A
记作limit x趋向x0时
f(x)的极限等于A
在这个定义中
正数ε反映的是
函数值f(x)与常数A的接近程度
而正数δ是说
当x到x0的距离满足什么条件时
它对应的函数值f(x)与常数A的
接近程度能达到我们的要求
在这个定义中ε尽管是任意给的
但是一旦给定后
我们就认为它是一个定值
δ的大小是根据取定ε的的值来确定的
将极限的定义用几何的语言表述
因为我们知道函数y等于f(x)
在xy平面上一般表示的是一条曲线
那么f(x)在x趋向x0时的极限等于A
在几何上指的是
在x0附近曲线y等f(x)可以
无限靠近一条水平直线y等于A
所谓无限靠近指的是以直线y等于A为中轴
任意一个正数ε作为宽度
我们做一条水平的带状区域
对这条水平的带状区域
我们总可以找到x0的一个邻域
在这个邻域中曲线y等f(x)一定会
跑到这条水平的带状区域中
即使我们这个带状区域变得再窄
我们这样的邻域还是存在的
也就是说
无论这个带状区域变得多窄
我们总能找到x0的一个邻域
在这个邻域中y等f(x)的图像
要跑到这个水平的带状区域中
接下来我们利用极限的定义
来证明几个具体的函数
在给定情况下的极限值
例1我们证明3倍的x加4
在x趋向1时的极限等于7
所谓证明就是对这个具体的函数来说
对给定的ε
我们来找一个δ
使得当x跑到1的δ邻域时
它对应的函数值减掉7之后
它的绝对值应该小于ε
对于这个具体函数来说
我们知道f(x)减7的绝对值
就等于3倍的x减1的绝对值
那么对于任意的正数ε
我们要使得f(x)减7的绝对值小于ε
只要使得3倍的x减1的绝对值小于ε
也就是只要使得x减1的绝对值小于3分之1ε
就可以了
为此我们就取δ等于3分之ε
那么只要x到1的距离小于δ而大于0
我们就有f(x)减7的绝对值小于ε
那么根据函数在一点的极限的定义
我们就知道
f(x)在x趋向1时的极限等于7
这就是我们要证的结论
也就是3倍的x加4在x趋向1时的极限等于7
接下来 我们来看第二道例题
我们知道已知函数f(x)在x等于1时的值是等于2
当x不等1时它的函数值是x平方加x减2
再除上x减1
现在我们用定义证明
这个函数在x趋向1时的极限是等于3的
对于这个函数来说
当x不等于1时
它的函数值与x加2是相等的
所以这个时候f(x)减3
它的绝对值应该等于x减1
那么对于任意正数ε
我们要使f(x)减3的绝对值小于ε
只要x减1的绝对值小于ε就可以了
所以我们取δ就等于ε
那么当x到1的距离小于δ而大于0时
我们就得到f(x)减3的绝对值小于ε
那么根据函数在一点的极限定义
我们就得到了这个函数f(x)
在x趋向1时的极限等于3
在这个例题中
虽然表达式x平方加x减2
再除上x减1它在x等于1没有意义
但是这并不影响我们讨论在x趋向1时
这个表达式的值的趋向情况
事实上在上面的证明过程中我们知道
这个表达式的值是趋向3的
另外在这个例题中
虽然我们考虑的函数
在x等于1的函数值定义为2
但是我们求得的函数值它的极限却是等于3
事实上在前面的定义中我们就强调了
函数在一点的极限是否存在
极限值的大小等于什么
与函数在这点的函数值是没有关系的
对于这个例题中的函数 我们可以画出它的图像
在图上我们也可以很清楚的看出
当x趋向1时
函数值它的极限是3
接下来我们来看第三道例题
我们证明x乘上sinx分之1
在x趋向0时的极限等于0
在这个例题中函数在x等于0这一点是没有定义的
对于x乘sinx分之1来说
我们知道它的绝对值是小于等于x的绝对值
所以对于任意正数ε
我们要使得函数值f(x)乘sinx分之1它的绝对值小于ε
只要使得x的绝对值小于ε就可以了
所以我们取δ就等于ε
那么当x绝对值小于δ而大于0时
我们就得到它对应的函数值
也就是x乘上sinx分之1的绝对值小于ε
那么根据函数f(x)在0这一点极限的定义
我们就证明了
x乘上sinx分之1在x趋向0时的极限等于0
从图中我们也可以很直观的看出
我们要求的极限是等于0的
第四个例题
在x大于0时
我们证明根下x在x趋向x0时的极限等于是根下x0的
在这儿为了证明我们的结论
要想办法将根下x减根下x0的绝对值
与x减x0的绝对值联系起来
我们做一个有理化运算
就会得到根下x减根下x0的绝对值
应该等于x减x0的绝对值
除上根下x加上根下x0的绝对值
因为x是大于0的
所以这个表达式就小于x减x0的绝对值
除上根下x0
那么对于任意正数ε
我们要想使根下x减根下x0的绝对值小于ε
根据上面得到的结论
我们就只要使x减x0的绝对值
除上根下x0小于ε就可以了
这样也就是只要使得
x减x0的绝对值小于根下x0乘上ε
所以对给定的ε
我们取δ等于根下x0乘上ε
为了保证我们要取的范围是在
x大于0的这个开区间内
所以我们还要限定δ要大于等于x0
为了满足这两个条件
我们就可以取δ是x0和根下x0乘ε
这两个数中的最小值
这样当x减x0的绝对值小于δ大于0时
我们就有根下x减根下x0的绝对值是小于ε的
那么根据函数在这一点的极限的定义
我们就得到了根下x在x趋向x0时的
极限等于是根下x0的
下面我们看一下第五道例题
也就是对于实数x0
我们来证明一下sinx在x0这点的
极限是等于sinx0的
我们根据正弦函数它的和差化积公式就会得到
sinx减sinx0它的绝对值是等于x加x0除2的余弦
乘上x减x0除2的正弦再乘以2
因为余弦值它的绝对值是小于等于1的
而一个角度正弦的绝对值是小于等于这个角度的绝对值
所以我们就得到
正弦函数在x和x0这两点的差的绝对值
就小于等于这两点差的绝对值
也就是sinx减sinx0的绝对值
小于等于x减x0的绝对值
所以对于任意正数ε
我们要使得sinx减sinx0的绝对值小于ε
只要使得x减x0的绝对值小于ε就可以了
这样我们可以取δ就等于ε
那么则当x减x0的绝对值小于δ而且大于0时
我们就有sinx减sinx0的绝对值小于ε
根据函数在x0这一点的极限定义
我们就得到了
sinx在x趋向x0时的极限等于sinx0
利用同样地方法 我们可以证明
cosx在x趋向x0时的极限也是等于cosx0的
事实上对于前面我们学习过的基本初等函数
我们都可以证明
它们在定义域区间中的任何一点的极限
就等于它们在相应点的函数值
具体地说就是
常函数在任何一点的极限仍然等于这个常数
幂函数xk次方在x0它的极限就等于x0的k次方
指数函数a的x次方在x趋向x0时的极限
就等于a的x0次方
对数函数在x趋向x0时的极限
就等于它在x0这点的函数值
反三角函数在x0的极限
就等于反三角函数在x0点的函数值
我们这的x0都是在相应的函数的定义域中取的
下面我们来看最后一道例题
也就是例6
我们证明如果f(x)在x趋向x0时的极限是A
那么它的绝对值函数
也就是f(x)的绝对值在x趋向x0时的极限也存在
而且极限值就等于A的绝对值
根据极限的定义 对于任意的ε大于0
因为f(x)在x趋向x0时的极限是等于A的
所以存在大于零的实数δ
只要x减x0的绝对值小于δ而大于0
我们就有f(x)减A的绝对值小于ε
根据绝对值的性质
只要x减x0的绝对值小于δ而大于0
我们就有f(x)绝对值减A的绝对值
括起来再取绝对值
它就小于等于f(x)减A的绝对值
从而就小于ε
这样我们就证明了
f(x)的绝对值在x趋向x0时的极限
就等于A的绝对值
上面 我们讨论了利用极限的定义
如何证明简单函数的极限问题
在证明的过程中
我们主要就是要想将
f(x)减A的绝对值与x减x0的绝对值联系起来
这样我们就知道
当x减x0的绝对值小到什么程度时
那么f(x)减A的绝对值就可以达到我们的要求了
这是利用定义来处理函数极限问题时
我们需要特别关注的一点
在这一讲中我们介绍了函数在一点的极限
我们知道极限反映的是
函数越来越接近某个确定值的性质
极限定义给出了如何刻画
越来越接近这个现象的数学表述
我们利用极限定义可以证明
某些简单函数的极限问题
如果在某个极限过程中
也就是在x的某种变化趋向下
它对应的函数值不趋向于一个确定的实数
我们就说它的极限是不存在的
怎么样严格地表述函数在一点的极限不存在
或者说
怎么样严格地表述函数在一点的
极限不等于某一个常数A
这就是下一讲我们要介绍的内容
好 谢谢同学们
我们下一讲再见
-0.1 绪论
--0.1.1 绪论
-1.1 极限概念引例
--第1.1节测试 极限概念引例
-1.2 极限的概念
--第1.2节测试 极限的概念
-1.3 极限的性质
--第1.3节测试 极限的性质
-1.4 极限的运算
--第1.4节测试 极限的运算
-1.5 夹逼定理与单调有界收敛定理
--第1.5节测试(1) 夹逼定理与单调有界收敛定理
--第1.5节测试(2) 夹逼定理与单调有界收敛定理
-1.6 两个重要的极限
--第1.6节测试 两个重要的极限
-1.7 无穷小量
--第1.7节测试 无穷小量
-2.1 连续函数的概念
--第2.1节测试 连续函数的概念
-2.2. 初等函数的连续性结论
--第2.2节测试 初等函数的连续性结论
-2.3 连续函数的性质
--第2.3节测试 连续函数的性质
-3.1 导数与导函数
--第3.1节测试 导数与导函数
-3.2 微分
--3.2.1 微分
--第3.2节测试 微分
-3.3 导数的运算
--第3.3节测试 导数的运算
-3.4 隐函数与参数方程确定的函数的导数、对数求导法
--3.4.1 隐函数与参数方程确定的函数的导数、对数求导法
--第3.4节测试 隐函数与参数方程确定的函数的导数、对数求导法
-3.5 高阶导数
--第3.5节测试 高阶导数
-4.1 极值和极值点
--第4.1节测试 极值和极值点
-4.2 微分中值定理
--第4.2节测试 微分中值定理
-4.3 洛必达法则
--第4.3节测试(1) 洛必达法则
--第4.3节测试(2) 洛必达法则
-4.4 函数单调性的判定
--第4.4节测试 函数单调性的判断
-4.5 函数的极值及其求法
--第4.5节测试 函数的极值及其求法
-4.6 函数的最值及其应用
--第4.6节测试 函数的最值及其应用
-4.7 曲线的凸性和拐点
--第4.7节测试 函数的凸性和拐点
-4.8 曲线的渐近线
--第4.8节测试 曲线的渐近线
-4.9 泰勒(Taylor)公式
--第4.9节测试 泰勒公式
-4.10 原函数与微分方程初步
--第4.10节测试 原函数与微分方程初步
-5.1 定积分问题举例
-5.2 定积分的概念
--第5.2节测试 定积分的概念
-5.3 定积分的基本性质
--第5.3节测试 定积分的性质
-5.4 微积分基本定理
--第5.4节测试 微积分基本定理
-5.5 定积分的几何应用
--第5.5节测试 定积分的几何应用
-5.6 定积分的物理应用
-6.1 换元积分法
--第6.1节测试 换元积分法
-6.2 分部积分法
--第6.2节测试 分部积分法
-6.3 有理函数的积分法
--第6.3节测试 有理函数的积分法
-6.4 定积分应用举例
--第6.4节测试 定积分应用举例
-6.5 反常积分
--第6.5节测试 反常积分
-7.1 无穷级数
--第7.1节测试 无穷级数
-7.2 正项级数
-7.3 比值判敛法和根式判敛法
--第7.3节测试 比值判敛法和根式判敛法
-7.4 一般项级数
--第7.4节测试 一般项级数
-7.5 幂级数
-7.6 函数的幂级数
--第7.6节测试 函数的幂级数
-7.7 泰勒级数
--第7.7节测试 泰勒级数
-7.8 幂级数的简单应用
-8.1 一阶可求解常微分方程
--第8.1节测试 一阶可求解常微分方程
-8.2 一阶线性微分方程
--第8.2节测试 一阶线性微分方程
-8.3 二阶线性常系数微分方程
--第8.3节测试 二阶线性常系数微分方程
-8.4 常系数微分方程简单应用举例
-期末考试
--期末考试说明
-期末考试--期末考试