当前课程知识点:微积分——极限理论与一元函数 > 第二章 极限论 > 第四节 函数极限的概念与性质 > 函数极限的性质
前面我们介绍了函数在一点的极限
和函数在x趋向于无穷时的极限的概念
接下来我们来介绍一下它的性质
关于函数极限的性质
实际上也是把数列极限的有关性质
我们把它推广到函数极限上来
这是我们第三个问题
就是 函数极限的性质
因为我们函数极限有六个极限过程
所以我们在写有关结论的时候
我们总是以某一个极限过程做例子来写
所有的这些结果
都可以推广到其它的极限过程里面去
你譬如说我们第一个
就是唯一性问题
结论就跟数列极限是一样的
也就是如果这个极限
譬如说我们以这个极限过程
为例子来说明
如果这个极限存在则其值唯一
关于这个定理的证明
我们不再重复了
因为它的证明想法
以及证明的具体过程
跟数列极限时的
证明极限唯一性是一样的
所以这是这一个
第二个例子我们就说一下有界性
有界性结论是这样子的
也就是若x趋向于x0时
这个函数极限是存在的
则f(x)在x0附近是有界的
在这个地方希望大家体会一下
什么叫在x0附近
在x0附近也就是说
你能够找到一个δ大于0
使得这个函数在x0减δ到x0
再并上x0到x0+δ上
它是有界的
也就是说我能找到一个包含x0的小范围
在这个范围里面
除了x0这一点我不考虑之外
其它所有点的函数值构成的集合是个有界集
这是说在这附近有界
当然如果我的极限过程
不是x趋向于x0
而是x0趋向于x0正
那你可以说
这个函数在x0的右侧附近有界
如果我们的极限过程
是x趋向于正无穷
你可以说在正无穷附近有界
那什么叫在正无穷附近
正无穷附近指的是
你能找到一个大于0的数
譬如说N它应该是在N到正无穷
这个半无穷区间上有界
类似地也可以理解
在无穷附近有界
在无穷附近有界也就是说
在某一个闭区间之外都是有界的
关于这个附近有界
希望大家真正地体会它
关于这个地方
我们跟数列极限有一点点不同
数列极限是说
只要数列收敛
数列本身就是个有界列
而函数是说它收敛的时候
它只能保证在极限点附近有界
这个也与函数极限
研究的函数性质有关
因为在一点的极限
只与在这一点附近的函数值有关
而与其它的地方的函数值是没有关系的
当然我得到的也只能是局部有界性
而这个证明 我们也不介绍了
就是大家仿照数列极限的证明
以及函数定义 函数极限的定义就可以了
第三个保序性或者叫保号性
内容是这样说的
就是若x趋向于x0时
这个函数极限存在是A
而且A大于0则这个函数f(x)
在x0附近就是说也大于0
这句话的意思
跟上面这个x0附近的含义是一样的
也就是你能够找到一个包含x0的小范围
在这个范围之内
除了x0这一点的函数值之外
其它点的函数值都是大于0的
这是所谓极限的保号性
也就是极限值的正负号
确定了函数在极限点附近的正负号
当然它的一个推论
就是这样说的
如果函数在x0附近大于等于0
而且x趋向于x0时它的极限存在
那么它的极限值也一定是大于等于0的
这是关于保号性
接下来我们说一个
函数极限与数列极限的关系
也就是 函数极限与数列极限它的关系
这个关系是这样说的
说如果x趋向于x0时的极限是等于A
那么它的充分必要条件是
对任意的一个数列{xn}
其中xn是不等于x0的
只要n趋向于无穷时
xn是趋向于x0的
那么f(xn)这个数列的极限
在n趋向于无穷时的极限也等于A
这是函数极限与数列极限的关系
这个结论就说清楚了
说x趋向于x0时函数极限是A
无论它以什么方式趋向于x0
那么它对应的函数值
都应该是趋向于A的
这个定理我们经常用来证明
一些函数在一点极限是不存在
为什么说能够用来证明函数在一点极限不存在
如果你能够找到
趋向于x0的两个特殊点列
而这两个点列对应的函数值数列
它是趋向于不同的值的时候
那自然就说函数在这一点极限不会存在
或者有时候我们只要找到
一个特殊的趋向于x0的点列
使得它对应的函数值数列极限不存在的时候
那自然也能够说清楚
这个极限不存在
关于这个定理我们给出它的证明
这个证明先证它的必要性
也就是说这是我们的条件
那我们看一下
任给ε大于0因为我们知道这个极限是等于A的
就是x趋向于x0时
所以根据极限定义
我一定存在一个δ大于0
只要x减掉x0的绝对值大于0小于δ
我们就有f(x)减A的绝对值小于ε
这是我们这个定义
接下来我们要在这个条件下
证明对这样的数列
这个极限都是A
要证明这个极限都是A
也就是说对任意的ε大于0
你要找一个N
当n大于N时f(xn)减掉A差的绝对值应该小于ε
那怎么找也就是说
对于我们刚才已经找到的一个δ大于0
就是有 我们这个条件
n趋向于无穷xn等于x0
我就能找到一个N大于0
使得当n大于N时
我这个xn减掉x0的绝对值小于δ
再考虑到我们这个条件
这一面当然是大于0的
这个时候当xn减掉x0的绝对值小于δ
我们知道它就得到了f(xn)减掉A的绝对值小于ε
我想写到这儿
我们把中间不需要的地方给它抹掉
我们只找我们需要的
这就说清楚了
任给ε大于0我们确确实实找到了一个N大于0
当n大于N时
我们的f(xn)减掉A的绝对值是小于ε的
而这种描述恰好是这个极限是A的定义
所以我们这样就证明了它的必要性
接下来我们说一下它的充分性
充分性就是说
如果对所有的以x0为极限点的数列来说
它对应的函数值数列极限都是A
我们来证明函数在这一点的极限也是A
当然这个应该是由特殊到一般
或者是由具体到一般
这个直接证的时候
不太好用这个条件
类似于这样的问题
我们可以用所谓的反证法
反证法也就是说
我假设这个极限不是A
在给定的条件下
也就是说 我假设 就是这个结论不成立
x趋向于x0时f(x)不等于A
那根据这个极限不等于A 它的描述
也就是 我存在一个ε0大于0
对任意的δ大于0
我都能找到 我写到这儿来
找到一个xδ 它满足什么呢
满足xδ减掉x0的绝对值是小于δ的
当然它不等于0
但是这个f(xδ)减A的绝对值
这个绝对值是大于等于ε0的
这是这个函数在这个极限过程下
极限不是A的描述
在这里面 大家看一下
δ是任意的 我特别地
我就取δ等于n分之一
也就是说我δ取一个正整数的倒数
那么对n等于1我找到一个x1
它满足x1减掉x0绝对值小于1
但是函数值 这个差的绝对值是大于等于ε0的
对n等于2我找到一个x2
这样的时候 我实际上找到了一个
就是说 {xn} 它满足什么条件呢
就是xn减x0的绝对值大于0小于n分之一
但是f(xn)减A的绝对值
这个绝对值是大于等于ε0的
那请大家看最后一行
最后一行这两个不等式
实际上就意味着什么呢
我们找到了一个以x0为极限点的数列{xn}
但是它们对应的函数值数列
是不以A为极限的
这就与我们这个定理里面的条件正好是矛盾的
这个矛盾怎么出来的
就是因为你假设了它在x趋向于x0时的极限
不等于A所以这个假设是不对的
这样我们就证明了
在给定的条件下
这个结论一定是成立的
这是关于函数极限与数列极限的关系
这也是我们在微积分里面
处理极限问题
尤其是函数极限问题时
常用的一个结论
我们刚才介绍了
函数极限的四个性质
接下来 我们就利用这几条性质
处理几个具体的题目
我们看第一个例题
第一个例题是说
如果f(x)在[a,+∞)上有定义
且 就是说 在[a,A]上有界
然后x趋向于正无穷时
这个极限存在
我解释一下这个条件
这个条件就是说
对任意的A大于a
它在这个闭区间上总是有界的
然后加上一个在这个无穷远处极限存在
我们证明 证明的结论
证明f(x)在这个半无穷区间上有界
证明这个结论
那这个结论应该就是说
它就是要我们讨论
极限存在性和有界之间的关系
处理这个问题的时候
你自然就很容易想到
怎么样在极限存在的时候
我来说它有界
实际上就用到了刚才我们说的
在这一点有极限
在这一点附近自然是有界的
所以我们这个证明过程是这样子的
就是 因为这个极限是存在的
根据有界性 所以我就能找到一个
譬如说N大于0以及M1大于0
使得这个不等式是对的
f(x)绝对值小于等于M1只要x属于[N,+∞)
它都是成立的
这句话就是说 它在极限点附近
应该是个有界函数
接下来 又f(x)在[a,N]上是有界的
这句话就是我们这个条件
因为它在任何一个有限长度闭区间上都是有界的
所以 我就能找到一个M2大于0
使得 这个不等式是对的
f(x)绝对值小于等于M2
只要x属于[a,N]这个范围
它都是对的
我想 写到这儿 这个题目的证明
就基本证完了
接下来请大家再写上两句话
就是说 我取M等于M1和M2中的那个最大的
那么 无论x是在[a,N]这个范围
还是在[N,+∞]这个范围
那么它的函数值的绝对值
都应该是不超过M的
那当然就是
它在这个半无穷区间上有界的定义
我想这是一个利用有界性做的问题
接下来我们做一个问题
说看一看x趋向于0时
cos(x分之一)这个极限是否存在
就是要说清楚这个极限存在还还是不存在
这个我主要是想给大家练习一下
函数极限与数列极限的关系
因为这是一个余弦函数
这个 它的性质大家比较清楚
所以我们在做这个题的时候
可以直接这样做
我就取一个xn譬如说等于2nπ分之一
这样n趋向于无穷时
xn是趋向于0的
那我再取一个x一杠n
它就等于是一个2nπ再加上二分之π
就是这个倒数
这个xn一杠 在n趋向于无穷时
它也是趋向于0的
但是大家看一下
如果我这个函数我用f(x)来表示的时候
那f(xn) 代进去之后就等于cos2nπ
这个应该是等于1的
而我把x一杠n代进来
这个应该是等于cos(2nπ加上二分之π)
这个永远是等于0的
我想写到这儿
这个题目的结论是明确的
因为我已经找到了两个趋向于0的数列
而它们对应的函数值数列
一个是趋向于1的
一个是趋向于0的
所以我的结论是
这个函数在x趋向于0时的极限
是不存在的
这是利用函数极限跟数列极限
我们说的一个问题
最后一个例题就是
我们说一个在微积分里面
或者在数学分析里面
比较有用 的一个结果
也就是我们定义这么一个函数
f(x)就是当x是无理数或者是x等于0时
它的函数值定义成0
当x是有理数而且能够表示成p除上q
就是有理数应该就是说
整数之比这个p和q是互素的
如果是这样子的时候
我们把它的值定义成q分之一
实际上这个函数
基本上就是所谓的黎曼函数
这个函数它在任何一点都有定义
但是它的初等表达式
我们写不出来
尽管这也是一个表达式
但是大家知道
所谓的有理数
它写成两个整数之比
到底是写成什么样的两个整数之比
这个大家当然就是说
并不是所有的有理数
你都能很快地写出来
自然它对应的函数值
就是尽管是q分之一
但如果q不知道
q分之一自然也不知道
但现在我们要讨论的问题是
我们来证明这个所谓的黎曼函数
在无理点处 它的极限都存在
而且都应该等于0
那假设 我这里一个无理点
就随便用a来表示
它是无理数
那我怎么样证明
它这个函数在这一点的极限存在是0呢
我只要证明 随便给一个数列
譬如说我用{zn}来表示
在zn趋向于a时
只要它对应的函数值数列f(z)
就是说 它趋向于0就可以了
所以说我要证明
任何一个以a为极限的就是数列
它对应的函数值数列极限都是0
那我怎么来说明这个数列极限是0呢
根据前面 我们数列极限与子列的关系
我只要说清楚
它两个特殊的子列的极限都是0就行了
一个子列也就是说
我要找这个地方
是包含在这个数列里面
但是同时这是一个 无理数构成的
这是无理数
另外一个我再找一个子列
是{yn} 它包含在{zn}里面
这个{yn}我可以这样写
它是包含在有理数里面的
实际上这两个特殊的子列
也就是 我把它所有的无理数对应的那个子列拿出来
所有的有理数对应的子列拿出来
那前面 根据它的定义
我们已经知道了
f(xn)它应该是等于0的
所以它极限自然是0
接下来我们就
还有一件事情
只要证明f(yn)也是趋向于0就可以了
因为我们只是要证它在a这一点的极限是0
所以说我们只关心
在a这一点附近的函数值
所以说我们在证明这个问题的时候
我不妨假设 我的|yn| 譬如说 就小于a的绝对值加1
也就是 我把yn限定在是以a为中心
半长为1的一个开区间内
在这个限制下
我们看一下
怎么样证明它极限是0
也就是 我再记这个yn就等于
譬如说qn/pn 那么我们来看一下
任给ε大于0 我要使得f(yn)
这个函数值它的绝对值
也就是pn分之一的绝对值
我要看看它是不是小于ε
我这样直接看的时候
因为这个pn我并不知道是什么
所以我当然不知道它是不是小于ε
但是我把这个问题反过来
如果我从正面证明不了它小于ε
我看看 它大于ε有多少个
如果它大于ε 大家看一下
也就是|pn|小于ε分之一
这个ε是给定的
所以这应该是个确定的数
这个|pn|应该是正整数
那通过这个不等式大家知道
满足这个不等号的这个pn是有限个
pn如果是有限个的时候
大家看一下
因为我的|yn|是小于它
也就是我可以用|qn除上pn|
这个绝对值是小于|a|加1的
那么 我马上从这个不等式就推出
在pn有限个值的时候
qn也是有限的
因为|qn|是小于这个常数乘上|pn|
好了那也就是说 qn和pn都是有限的
自然的 满足这个不等号的yn也是有限的
说到这儿我们说明了什么问题
也就是说 这一个有理子列对应的函数值数列
它的绝对值大于ε的只有有限个数
换句话说 从某一个数开始
它的绝对值都应该是小于ε 或者小于等于ε
而这个 正好是我们极限的定义
什么定义 也就是说 任给ε大于0
我能找到一个N
当n大于N时 这个函数值的绝对值
是小于等于ε的
这样的时候
我们就证明了
这个f(yn)这个数列的极限
在n趋向于无穷时极限也是0
所以说这样 我们回过头去说
就证明了它的两个特殊子列的极限都是0
而这两个特殊子列的并集
应该正好涵盖了原来这一个数列
所以说 对任意的这个趋向于a的点列来说
它对应的函数值
是趋向于0的
这样我们就证明了
它在任何一个无理点处
极限都是0
实际上从这个证明过程大家可以看出来
这个黎曼函数
不仅在无理点处的极限存在等于0
实际上它在任何一个有理点处的极限存在也是等于0的
证明方法完全一样
-序言
--序言
-第一节 实数集的界与确界
--实数集的界
--实数集的确界
-第一节思考与练习
--思考题
--练习题
-第二节 函数的概念
--分段函数与隐函数
-第二节思考与练习
--思考题
--练习题
-第三节 函数的运算
--函数的反函数
-第三节思考与练习
--思考题
--练习题
-第四节 函数的初等性质
--函数的凸性
-第四节思考与练习
--思考题
--练习题
-第五节 初等函数
--初等函数
-第五节思考与练习
--思考题
--练习题
-第六节 极坐标方程与参数方程表示的几种曲线
-第一节 数列极限的概念与性质
--无穷大量
-第一节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第一节思考与练习
-第二节 数列极限存在的充分条件
--单调有界收敛定理
-第二节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第二节思考与练习
-第三节 Bolzano定理与Cauchy收敛准则
-第三节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第三节思考与练习
-第四节 函数极限的概念与性质
--函数极限的概念
--函数极限的性质
-第四节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第四节思考与练习
-第五节 函数极限的运算
-第五节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第五节思考与练习
-第六节 无穷小量及其(阶的)比较
--无穷小量的比较
-第六节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第六节思考与练习
-第一节 连续函数的概念与性质
--间断点的分类
--连续函数的性质
-第一节 思考与练习
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--第三章 连续函数--第一节 思考与练习
-第二节 闭区间上连续函数的性质
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--第三章 连续函数--第二节 思考与练习
-第三节 函数的一致连续性
--一致连续的概念
-第三节 思考与练习
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--第三章 连续函数--第三节 思考与练习
-第一节 导数与微分的概念
--导数的概念
--导数的几何意义
--微分概念
-第一节 思考与练习
--思考题
--第四章 导数与微分--第一节 思考与练习
-第二节 导数与微分的运算
--导数的四则运算
--反函数求导法
-第二节 思考与练习
--思考题
--第四章 导数与微分--第二节 思考与练习
-第三节 几种特殊函数的求导法、高阶导数
--高阶导数
-第三节 思考与练习
--思考题
--第四章 导数与微分--第三节 思考与练习
-第一节 微分中值定理
--Fermat定理
--Rolle定理
-第一节 思考与练习
--思考题
--第五章 导数应用--第一节 思考与练习
-第二节 L'Hospital 法则
--0/0型不定式
--∞/∞型不定式
--其他形式的不定式
-第二节 思考与练习
--思考题
--第五章 导数应用--第二节 思考与练习
-第三节 函数的单调性与极值
--函数的单调性
--函数的极值
--函数最值的求法
-第三节 思考与练习
--思考题
--第五章 导数应用--第三节 思考与练习
-第四节 函数的凸性与拐点
--函数凸性的判别法
--拐点
--曲线的渐近性
-第四节 思考与练习
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-第五节 Taylor 公式
-第五节 思考与练习
--思考题
--第五章 导数应用--第五节 思考与练习
-第一节 概念与性质
--原函数的概念
--6-1视频纠正
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--第一换元法
--第二换元法
-第二节思考与练习
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-第三节 分部积分法
--分步积分法
-第四节 有理函数的积分
--html
--第六章 原函数与不定积分--第四节思考与练习
-第五节 简单无理式的积分
--无理函数的有理化
--第六章 原函数与不定积分--第五节思考与练习
-第一节 积分概念与积分存在条件
--定积分的概念
-- 函数的可积性
--第七章 定积分--第一节思考与练习
-第二节 定积分的性质
--定积分的性质
--定积分性质的应用
-第三节 变上限积分与Newton—Leibniz公式
--变上限积分
--复合变限积分
--定积分的计算
--第七章 定积分--第三节思考与练习
-第四节 定积分的换元积分法与分部积分法
--第七章 定积分--第四节思考与练习
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--平面区域的面积
--曲线的弧长
--平面曲线的曲率
--第七章 定积分--第五节思考与练习
-第六节 定积分的物理应用
--物理应用简介
-第七节 反常积分
--反常积分
--其他无穷积分
--第七章 定积分--第七节思考与练习
-第一节 数项级数的概念与性质
--第八章 级数--第一节 思考与练习
-第二节 正项级数的收敛判别法
--第八章 级数--第二节 思考与练习
-第三节 任意项级数
--交错项级数
--绝对值判敛法
--第八章 级数--第三节 思考与练习
-第四节 函数级数
--第八章 级数--第四节 思考与练习
-第五节 幂级数
--Abel判别法
--收敛半径与收敛域
--幂级数的分析性质
--幂级数求和
--第八章 级数--第五节思考与练习
-第六节 傅里叶级数
--三角函数的正交性
--第八章 级数--第六节思考与练习