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 > 第五节 函数极限的运算 > 夹逼定理与重要极限
前面我们介绍过函数极限的四则运算
以及复合函数求极限的运算
接下来我们介绍一下关于函数极限的夹逼定理
这是我们这一节的第三个问题
关于函数极限的夹逼定理
跟我们前面介绍过的数列极限的夹逼定理是类似的
它的条件与它的结论也是一致的
所以说我们在这个地方就是再重复一下或者复习一下
就是数列极限的夹逼定理
我们以函数极限的形式写出
也就是说若f(x)小于等于g(x)小于等于h(x)
且在一个极限过程下x趋向x0时
f(x)极限是A
在这同一个极限过程下
也就是x趋向x0时
h(x)的极限也是A
则我们中间这个函数g(x)在这个极限过程下的极限存在
而且它的值就是A
所以说从内容上讲
我们前面介绍过了数列极限的夹逼定理之后
函数极限的夹逼定理自然无论是从条件还是从结论
它都是一样的
所以关于这个定理的证明我们在这里就不做介绍了
我们用这个定理来处理一个简单的极限运算问题
譬如说我们来求一下在x趋向于0时
x乘上x倒数取整
就是看一下这个函数它的极限存在不存在
如果存在的时候函数值应该等什么
如果我们没有夹逼定理的时候
因为关于这个取整函数尽管我们明确它的含义是什么
但是我们不能把这个取整函数与一般的函数表达式
或者数学运算那样来对待
所以总感觉到我们说清楚这个极限等什么
它不是那么容易的事情
那接下来我们看一下
我们不妨假设先考虑x大于0
x大于0时我们知道x取整
它应该是小于等于x分之1
然后大于等于x分之1减1
这个对任意数我们取整它都应该有这个不等关系
在这两端根据我们要求极限的这个函数表达式
我们同乘x
因为我们已经假设了x是大于0的
所以这个时候我们会得到
x乘上x分之1减1应该小于等于x乘上x分之1取整
小于等于就是x乘上x分之1
那写到这个地方我们看这个不等式的右端
这是等于1的
而再来看一下这个不等式的左端我们乘进去
应该就是1减掉x
那么在x大于0趋向0时
我们知道这个不等式的右端和左端极限应该是都是1
也就是说1减掉x极限等1
然后这边它是恒等于1的
当然它的极限也等1
那么根据夹逼定理
我们就得到了x大于0趋向0时
x乘上x的倒数取整这个极限应该是1的
这样我们就得到了它在这点的右极限
类似的如果我们假设x小于0
小于0我们这个不等式这个时候仍然还是成立的
但是我们在这个不等式两端同时乘x的时候
那这个不等号与这个不等号都是变向的
但无论怎么变中间我们要求极限值的这个函数
还是介于这两者之间
而这个时候在x小于0趋向0时
这两端它的极限仍然都是1
所以我们用相同的方法照样可以说明
它在这点的左极限也是等1
那根据前面我们说的函数在一点的极限
应该就等于它在这点的左极限和右极限
所以最后我们这个题目的答案应该是这个极限存在
而且这个极限值就等于1
这是关于这个夹逼定理的具体内容
接下来我们来介绍一下利用夹逼定理
得到了我们函数极限运算里面两个最常用的极限结论
这个我们统称为我们微积分里面的两个重要极限
我们看一下重要极限
我们先看一下第一个重要极限
第一个重要极限就是说在x趋向于0时
sinx比上x这个极限存在不存在
如果存在的时候值是什么
我们可以证明这个极限它是存在的
它的值是等1的
接下来我们证明一下
为什么在x趋向0时这个极限是等于1的
我们先从几何上来看
如果我们的x是大于0时
我们看一下这么一个圆心在原点半径为1的这么一个圆周
现在假设这个角度是x
那么圆心是O
然后现在我们就得到这么几个图形
一个图形是OBA
然后接下来还有一个扇形也是OBA
还一个我们做切线这面我记成C
还一个三角形是OBC
那么从图上可以看出来
就是三角形OBA它的面积应该小于扇形OBA的面积
扇形面积又小于这个大的三角形OBC的面积
然后我们来看一下就是在这个半径是1的前提下
这三块面积与x的关系是什么
就是这个三角形面积应该就等于
二分之一就是半径都是1
也就是1乘上1再乘上1再乘上它夹角的正弦
这就是三角形OBA的面积
而扇形的面积应该是二分之一乘上半径的平方
也就是乘上两次半径
应该再乘上就是它这个圆心角
也就是再乘上x
最后三角形OBC的面积应该是二分之一
这个半径也是它的底边OB
乘上1
然后这个高
这个高应该是就是这个半径也就是斜边再乘上那个正切
乘上tanx
这样我们就得到三个三角形面积
根据刚才我们说的大小关系
我们知道由这个三块面积的大小关系
我们直接就得到了这个样子
也就是sinx实际上是小于x小于tanx
考虑到我们讨论的这个表达式
所以在这两端我们同给它除一个x
那么这时候就是sinx比上我们同给它除一个sinx
那么这个不等式就变成了1小于x比上sinx
小于这面就是cosx
因为我们假设x是大于0
而且不妨假设它是介于二分之π之间
所以我们做个倒数运算这就是cosx应该是小于
sinx除上x小于1
我们前面已经证明过cosx在x趋向于0时极限是1
所以利用这个不等式及夹逼定理
我们就得到了x趋向于0+时
sinx比上x应该是等1的
接下来我们利用极限运算我们知道x小于0趋向于0时
sinx比上x可以写成t大于0趋向于0
这面是sin(-t)再除上-t
也就是说我让x等于-t
那么x小于0趋向于0就等价于t大于0趋向于0
这样我们再用一下正弦函数它是个奇函数
所以说这个地方就写成t大于0趋向于0sint比上t
利用前面我们得到的这个结果
我们知道这个极限应该是等1的
写到这我们就证明了这个右极限等1
同时这个左极限也等于1
所以说这样我们就证明了我们这个极限
在x趋向于0时确实是1的
这是我们微积分里面常用的第一个重要极限
接下来我们来看一下利用第一个重要极限
我们得到的一些常用的极限结论
譬如说我们来看一下
x趋向于0时tanx比上x
我们这个极限当然可以写成x趋向于0时
sinx比上x再乘上cosx分之1
因为刚才我们知道sinx比上x在x趋向于0时的极限是1
而cosx在x趋向于0时的极限也是1
所以我们利用极限的乘法运算和除法运算
这样我们就会得到这个极限是1
这是我们常用的一个结果
第二个结果譬如说x趋向于0
1减cosx除上x平方
那这一个分子分母在这个极限过程下还是都趋向0
我们没法用除法运算
但是我们可以做一个三角变换
写成两倍的sin方二分之x再除上x平方
为了用上我们的重要极限我们给它写成下面这个形式
也就sin二分之x比上二分之x括起来的平方
这样一写的时候跟刚才应该是多了一个两倍
所以为了跟刚才保持相等我们要乘一个二分之一
那么对括号里面的东西尽管这个地方都是二分之x二分之x
但我们所谓的重要极限就是说只要这两个表达式是一样
而且极限过程是它们都趋向于0
那么这个比值的极限就应该是1
所以我们利用极限的乘法运算我们知道
这个应该是等二分之一
类似的大家可以推出arcsinx比上x
在x趋向0时的极限也是等1的
这个请大家自己想一下怎么推出这个结果
还有就是x趋向于0时arctanx比上x极限也是1
我想除了我们的sinx比上x
在x趋向于0时的极限为1这个结论之外
这四个极限结论也是在做极限运算时我们经常会用到的结果
接下来我们看三个例题
第一个例题譬如说我们要求一求
x趋向于0时sinax与sinbx这个在b不等于0时的极限
那现在我们当然并不知道这个函数它极限是什么
但我们知道什么呢
我们知道x趋向于0时sinax比上ax极限是1
我们还知道b乘上x比上sinbx极限也是1
那我们为了把这两个形式凑出来
这里乘了一个bx所以说我们要给它除一个bx
而在这个地方我们除了个ax我们自然应该乘一个ax
也就是根据我们要求极限的这个表达式
以及我们现在知道极限值的这样的函数形式
我们做了一个恒等变形
到了这个地方这个因子极限是1
这个因子当然就是b分之a
而最后一个因子极限也是1
所以我们利用极限的乘法运算
我们知道这个结果应该就是b分之a
我想这就是利用重要极限和极限的四则运算来求极限
你比如说第二个例题
就是我们来看一下这一个
就是x趋向于1
sin(1-x)比上根下x减1
那对这个分式函数大家知道在这个极限过程下
分子分母仍然都趋向于0
所以我们无法直接用除法运算
但是我们可以这样去给它做一个变形
x趋向于1然后上面是sin(1-x)
底下我们给它乘上一个根下x加1
它就写成了x减1在这个地方乘一个根下x加1
写成这样的时候请大家看一下
这个分式除了1减x和x减1这种差别之外
应该就是我们刚才重要极限的形式
因为无论是1减x还是x减1这时候它自然都趋向于0
而这个一部分在x趋向于1时
它应该是趋向于根下1加1
也就是趋向于2
所以最后这个结果应该是等于-1乘上2等于-2
这也是一个变形形式
我们最后一个例题
来看一下就是说x趋向于二分之π时
我们cosx比上譬如二分之π减x
那么对这个分式函数来说在x趋向于二分之π时
分子分母都趋向于0
那我们怎么处理这一个
我们就做一个简单的三角变形
也就是x趋向二分之π我们可以给它做这样一个变形
就是让这个二分之π减x做一个变量
做一个变量的时候也就是二分之π减掉x应该等于t
那么x趋向于二分之π时t应该是趋向于0的
那么x应该是等于二分之π减t的
那这样做完这个变换之后我们这个极限过程
就不再是原来这个x趋向二分之π了
就可以写成t趋向于0
那分母上就写成t
而分子上就是cos二分之π减t
我们知道cos二分之π减t是sint
所以这样我们写下来应该就是t趋向于0sint比上t
根据重要极限我们知道要求的结果是等于1的
我想这三个简单的例题基本上就说清楚了
在我们极限运算时如果碰到一个分式函数
分子分母都趋向于0的情况
如果这里面是带有三角函数的时候
那么就请你想一下这个时候我们能不能
把我们已知极限的那个函数形式凑出来
或者说能不能把它往我们知道的
第一个重要极限形式上去变化
如果能的时候我们就可以通过重要极限
以及前面介绍过的四则运算来做函数计算问题
前面我们介绍了第一个重要极限
接下来我们来看一下第二个重要极限指的是什么
我们是说x趋向于无穷时1加x分之一的x次方
这个极限应该就等于无理数e
那实际上这个函数因为它在这个变化过程中
底数和指数同时变化
所以这样的函数我们一般把它叫幂指函数
而在这个极限过程中大家很容易分析出来
这个幂指函数的底数它是趋向于1的
而这个指数它是趋向于无穷的
所以说这个极限我们有时候也给它通称为或者俗称为
1的无穷次方
当然与1的无穷次方相比
刚才我们的重要极限当然指的就是所谓的0比0
那我们先看一下为什么这个极限它是存在的
而且它的值正好跟我们在数列极限部分
介绍过的一个极限值是一样的
那我们做一个证明
这个证明就是说我们在数列部分已经证明了
n趋向于无穷时1加n分之1的n次方极限是存在的
当时我们说这个极限值就是e
所以这是我们已知的条件
我们要证明这个极限值也是e
我们就要把连续变量下的这个表达式
要与离散变化下的这个1加n分之1的n次方联系起来
所以我们在证明时我们还是分
如果我考虑的是x趋向于正无穷这个情况
也就是说这个时候我可以只讨论x大于0的时候
我们知道就是这个时候的x它一定是大于等于x取整
小于等于x取整加1
这是我们取整函数的性质
那么我们做一个倒数运算
也就是我们这个x取整加1分之一
应该小于等于x分之一也小于等于x取整分之一
我们之所以做这个变形是因为我们表达式里面有x分之一
那在这不等号的两端我们同时给它加上1
不等号应该是没有变化
所以我们就得到了这三个数值大小关系
再利用这个底数大于1时指数函数是个单增函数
所以我们知道就是它的x次方应该是小于等于它的x次方
而我们把这个指数放大到
1加x取整分之一给它放大到取整加1
这个不等号是这样子的
类似的这面我们给它取了x次方之后
我们把这个指数部分给它缩小到取整它还是对的
这样大家看一下我们要讨论的这个表达式
就与左边和右边这两个只与整数有关的表达式联系起来了
关于这个表达式我们给它做这个变形
也就是写成1加x取整分之一
这面是个取整次方再乘上1加x取整分之一
而这一个我们给它做下面这个变形
也就是写成1加x取整加1分之一
这个是x取整加1次方
底下再给它除上1加x取整加1分之一
写成这样之后那相当于我们找到了
这个表达式的一个左邻居一个右邻居
而在x趋向正无穷时它的取整自然是趋向正无穷的
所以根据我们数列极限得到的这个极限结论
我们知道这一部分在x趋向于正无穷时极限是e
而这个括号在x趋向于正无穷时极限是1
所以利用极限的乘法运算这一边的极限就是e
类似的在左边这个分子在x趋向正无穷时
利用我们数列这个极限结论知道极限是e
而分母在这个极限过程下极限仍然是1
所以说左边也趋向于e
那利用夹逼定理我们知道我们现在证明了这个结果
也就是x趋向正无穷时1加x分之一x次方是等于e的
但是我们这个地方是说x趋向无穷时它极限是e
那我们还需要写一写x趋向于负无穷时
它极限是什么
这个我们就做一个变量替换
就是让x等于-t
那么它就写成t趋向于正无穷
然后这面是1减掉t分之1的-t次方
这个我们给它做一个通分
注意这是个负指数所以我们给它变形
变成t趋向于正无穷这个地方应该就是
t减1分之t它的t次方
然后我们为了要用上x趋向于正无穷时的这个结果
我们给它变形就等于t趋向于正无穷
这个地方也就是1加上t减1分之一
这是t减1次方
再乘上1加上t减1分之一
那这一部分在t趋向于正无穷时
正好符合刚才我们刚证出来的这个结果的形式
所以这个极限应该是e
而右边这个因子的极限是1
所以这样我们就证明了这时候它的极限也是e
我们只要证明了x趋向于正无穷和x趋向负无穷时的极限相等
而且都等e的时候
这个结论我们就证完了
这是我们介绍的第二个重要极限
接下来我们来看一下由第二个重要极限得到的几个常用结果
第一个结果也就是x趋向于0时
ln(1+x)比上x这个我们给它做一个简单变形
就是x趋向于0然后这个写成ln(1+x)它的x分之1次方
这是利用了对数的一个运算性质
就是对数的真数的指数可以拿到对数符号前面来
反过来我们把对数符号前面的x分之1
自然也可以放到它的真数的指数上
那请大家看一下我们这个幂指函数
这个幂指函数在x趋向于0时
底数趋向于1指数趋向于无穷
而且这一部分跟这一部分正好是个完全倒数
所以说这个应该就等于lne也就等于1
这是我们常用的一个极限结论
有了这个极限结论之后那我们再看一下
x趋向于0时 e的x次方减1除上x
这个是一个分式函数但是分子分母都趋向于0
我们无法直接用除法运算
但是我们可以做这样的变换
也就是让e的x次方减1等t
那么x就等于ln(1+t)
那么x趋向于0时t应该就趋向于0
所以这个地方就变成了t除上ln(1+t)
这个函数正好是上面这个函数的倒数
所以说如果这个函数的极限是1的时候
那我们这个函数的极限自然也是1
有了这个结论之后说如果大家碰到这个极限
那它应该等什么
a的x次方减1比上x
这也是一个分子分母都趋向于0时的分式函数
对这个函数大家可以这样去处理
也就是说这个a的x次方我们给它处理成以e为底的
那么就可以处理成x乘上lna减1
也就是说取一个对数取一个指数它是不变的
那我们为了用上上面这个形式
我们这个地方写上x乘上lna
在这再乘个lna
这是个恒等变形
那这一部分跟这一部分在极限过程下应该是一样的
所以这个极限是1
所以我们最后的结果是lna
我想最后我们再利用得到的这几个结果做两个简单的例题
你譬如说我们要做这个例题
也就是x趋向于无穷
x加5除上x加2它的x+3次方
大家一看这就是一个所谓的幂指函数
而且在x趋向无穷时我们很容易地分析出来底数趋向于1
指数趋向无穷
那我们为了做这个题目我们直接就给它变成这个形式
也就等于x趋向于无穷
这面写成1加上3除上x+2
然后这个地方给它凑成三分之x+2次方
然后为了保持恒等原来应该有一个x+3次方
再给它乘上一个x+2次方分之三
也就是我们为了要用重要极限我们要凑出这个形式来
这个形式就是说1加上一个趋向于0的表达式
而指数部分是这个趋向于0的表达式的完全倒数
那这一部分它的极限就是e
我们再来看一下剩下的这一部分底下是x加2
上面是三倍的x加9
但是x是趋向于无穷的
所以说这个应该是趋向于3的
那我们最后的结果应该是e的3次方
也就是说我们要想用第二个重要极限求极限时
你要一定要转化成可用的这个形式
1加上一个趋向于0的表达式
再来做它的这个表达式的完全倒数次方
最后一个例子我们写在这
这个例子就是说我们求一求x趋向于0时
cosx的譬如说sin方x分之1次方
这个例子就是说底数是趋向1的指数是趋向于无穷的
所以应该还是属于1的无穷次方
但这个我们怎么给它变化
这个我们就直接这样写
就等于x趋向于0这面就是1加上cosx减1
也就是说我底数一定要写出1加上一个趋向于0的表达式的形式
这面再做一个它的倒数次方
也就是cosx减1分之一
然后这一部分我们就凑成了重要极限形式
它的极限一定是e
为了跟原来恒等这面就乘一个cosx-1次方
原来是一个sin方x
那接下来我们的主要问题就是求一求
cosx-1除上sin方极限是什么
刚才我们刚给出了一个结果
就是1减cosx除上x它的平方极限是二分之一
那么cosx-1除上x平方极限是负二分之一
而它除一个x平方再乘一个x平方
就是x平方除上sin方x极限应该是1
所以大家不难分析出来指数部分极限是负二分之一
所以我们最后结果是e的负二分之一次方
我想通过最后这两个简单的例题
大家也可以体会到所谓的利用第二个重要极限求极限
首先就是说如果你判断了它是一个 1的无穷次方
这个形式的幂指函数极限问题时
你看看当我们把底数写成1加上一个趋向0的表达式之后
它的指数部分一定是这个趋向0的表达式的完全倒数
然后做了恒等变形之后
我们最后的主要问题就是处理其他指数部分的极限是什么
所以这是关于我们极限运算中常用的两个重要极限
以及由它得到的一些常用极限结论
-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
--思考题
--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
-第二节 思考与练习
--思考题
--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
--思考题
--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
--思考题
--第五章 导数应用--第四节 思考与练习
-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
-第一节思考与练习
--思考题
--第六章 原函数与不定积分--第一节思考与练习
-第二节 换元积分法
--第一换元法
--第二换元法
-第二节思考与练习
--思考题
--第六章 原函数与不定积分--第二节思考与练习
-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
-第五节 定积分的几何应用
--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