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Limits of Functions(函数的极限)在线视频

Limits of Functions(函数的极限)

下一节:Infinity (无穷)

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Limits of Functions(函数的极限)课程教案、知识点、字幕

同学们 你们好

欢迎来到MOOC在线课程微积分

到现在我们已经

学了相当长时间的微积分了

同学们已经体会到了

在我们这门课中 经常使用

严格的逻辑语言

去定义数学的概念和术语

就像前面我们学习数列极限

使用了ε-N这样的语言

今天 我们要学习函数的极限

我们也要用同样的方法

这就是ε-δ语言

要知道 这种严格而精密的逻辑语言

贯穿在整个微积分学科

乃至数学科学之中

好的 第一小节我们就讲一下

如何用ε-δ语言

去定义函数的极限

Chapter 3 functions limits and continuity

函数 极限 与连续性

Unit 5 limits of functions

函数的极限

Section 1 limits of functions

函数的极限

同学们 在这一小节呢

我们给出函数极限的

严格的数学定义

请同学们仔细对比一下

以前我们讲过的序列极限的定义

看出这其中的相同与差异之处

Informally a function f

assigns an output f of x

to every input x

可以这么说 每一个函数呢

都是给定一个输入

然后呢 给出一个输出

We say the function has a limit L

at a point c

if f of x gets closer and closer to L

as x moves closer and closer to c

这句话是什么意思呢 就是说

f 在某一点有极限

比如说是L

什么意思呢 可以这么理解

就是当自变量越来越

靠近这个点c的时候呢

函数值f(x)越来越靠近L

当然 这些都是笼统的 不严格的

讲述极限的方法

那么严格的数学定义

应该怎么定义呢 我们看一下

Definition of limit of a function

这是我们最重要的定义之一

请同学注意

Let f of x be defined on

a deleted neighborhood U of c

这句话的意思是说

假设f在c点的某个去心邻域中

有定义

and L in R be given

又给定了某一个数 大L

We say that the limit of

the function f of x at c is L

我们说f在c点的极限是大L

如果满足什么条件呢 请看

if for all ε positive

there exists some δ positive

对任意的ε 存在δ大于零

满足什么条件呢 请看

such that for all x in U

intersect with c minus δ c plus δ

什么意思呢

就是对任意的这个去心邻域U

以及邻域 (c-δ,c+δ ) 之中的点x

请看 这句话的意思 实际上相当于说

x 充分靠近c的意思

one has the absolute value

of f(x) minus L

is less than ε

也就是说 要求f(x)与L

的差值的绝对值不能超过ε

这就是ε-δ语言来定义

什么叫作f在某点c处的极限

In such a case we write

limit as x approaching c f of x equals L

或者呢 f of x is approaching

L as x is approaching c

这两种记法呢 都很常用

请同学们仔细地

再阅读一遍这个定义

最好呢自己把它和前面我们讲过的

序列极限的定义呢 对比一下

可以看出这其中的思想

其实是完全一致的

我们用一个图来表示刚才的定义 请看

这个图中呢

红色的曲线就假设了f的图像

L和c点在图中已经标记出来了

我们看到 当x处在

c点的δ去心邻域中的时候呢

要求函数的值f of x呢

距离L不能超过ε

这就是刚才定义的含义

请同学们注意

在这个例子中啊

函数在这个c点啊 可以没有定义

但是呢f在这个点c处呢

仍然存在极限

因为我们说 极限是无限逼近

但始终呢 可以不重合

通过这个例子呢 我想同学们对于

极限定义中这个去心邻域啊

就会有更深刻的理解

同学们注意这样一个注记

Remark 1.2

Intuitively, this definition means that

f of x can be as close as possible

to L when x moves towards c

这个定义啊

虽然用了ε-δ这样的

比较复杂的逻辑语言

但它实际的含义呢是非常清晰的

也就是说

当x越来越移动靠近向c的时候

函数值f of x

越来越靠近指定的极限L

Please notice that f of x is

not necessarily defined at c

请注意 f在c点呢 实际上可以没有定义

where the limit of the function can be obtained

但是f在这个点处的确存在极限

which will be illustrated

by the following example

下面这个例子呢就说明了这一点

这就是 f 在某一点可以没有定义

但是它仍然存在该点处的极限

请看这个例子

Example

Let sinc(x) equals sine x over x

这个函数啊 sinc 它是个特定的符号

它就表示sine x除x这个函数

这个函数呢 它在零处是没有定义的

也就是说 0不在sinc函数的定义域之中

但是呢 we have

limit sine x over x as x

approaching zero equals one

也就是这个函数在x趋近于零的时候

它的极限实际上是1

which is one of the

most important formulas

you will need to bear in mind

in this course

and will be encountered

a dozen of times

这个极限啊

我们在微积分这门课程中呢

是非常重要的极限之一

而且呢 后面呢

我们要反复用到这个极限

注意 这个函数呢

在零点是没有定义的

但是在零处呢

的确存在它的极限 就是1

当然这件事情呢 我们并没有证明

这个证明呢

我们在本课的附录中呢会给出

好 请看这个函数图像

就是我们刚才提到的这个sinc函数

sine x over x

这里画的呢是这个函数

在一段区间中的整个图像

注意啊

它在零点实际上是没有定义的

但是从图中我们就能看出

当自变量越来越

接近零点的时候呢

这个函数的确是

越来越靠近于1这个值

所以说

这个函数的极限在零处它是1

另外一个注记

Intuitively it can be observed that

the limit of a function is unique

什么意思呢 就是说

如果函数在某一点存在极限的话

那么这个极限值啊 一定是唯一的

这个就跟前面

我们讲序列极限的唯一性

是同样的道理

Please prove this assertion

in δ-ε language

如果同学们有能力的话 自己可以

用这个严格的数学语言呢

把它证明一下

好 我们再看一个例子

limit as x approaching zero

one minus cosine x over x

这个极限得多少呢

这个极限啊 是0

To see this fact the reader

is suggested to

plot a graph of the function

f of x equals one minus cosine x over x

near c equals 0

如果你想看懂这个事实的话

我建议用各种各样的数学工具呢

去画一个这个函数图像

就可以看出这一点来

Section 2

Right- and Left-Hand Limits

左右极限

同学们 在上一节里啊

我们对极限有了一个基本的理解

不过呢请大家注意一个问题

就是我们刚才讲的极限啊

要求自变量呢是从两侧

同时趋向于这个特定的点

也就是刚才定义中的c点

但是在有的情况下呢

我们需要考虑的函数呢

要从某个点的单侧趋向这个点

这个时候呢

也要考虑到极限的情况

这就是下面我们要讲的

单侧极限的概念

We obtain the limit of

a function f of x

by moving x towards c

without reaching it

However the actual path

towards c can be restricted

to either c minus d c or c c plus d

for some d positive

In this section we will

discuss these two special situations

请看定义

Definition of right-hand limit

右侧极限的定义

Suppose that f of x is defined

on c and c plus d

假设 f 呢在 c 的右侧附近定义

也就是从c到c加d截止

这样一个开区间中 f 有定义

注意 仍然

我们没有假设f在c处有定义

and L1 in R is a given number

假设给定了某一个固定的数

把它记成大L1

we call L1 the right-hand limit

of f of x at c

if for all ε positive

there exists some δ positive

and δ is less than d

such that for all x in c to c

plus δ the open interval

we have f of x minus L1

the absolute value of this

thing is less than ε

这句话什么意思呢

意思就是说

我们称L1是 f 在c处的右侧极限

如果满足这样的条件

就是 任意的ε大于零

存在着某个δ大于零

但是呢 同时要求δ小于d

使得对任意的x

在c与c加δ之间的时候呢

我们有 f(x)减去L1的绝对值呢

小于ε

这个定义啊

非常类似于我们刚才给出来

函数在c点的极限的定义

只是呢我们特别强调要求这个x

只能在c的右侧附近有定义

所以呢 我们稍微做了一些修正

such a fact is also written as

右侧极限呢也可以这么记

limit as x approaching c plus

f of x equals L one

注意 这个记法跟刚才

整体极限的定义啊

只是在c处呢标记了一个加号

来强调x趋近于c的时候呢

是从右侧趋近

or another notation is

f c plus equals L1

类似的呢

我们还有左侧极限的定义

这跟刚才右侧极限呢

是完全对称的

我们呢 快速地给它讲一下

Suppose that f of x is defined

on c minus d to c

the open interval

假设f在c减d到c之间的

开区间有定义

也就是f在c的左侧有定义

其中这个d呢是大于零的数

and L2 in R is a given number

给定了某一个数

我们把它记成L2

we call L2 the left-hand limit

of f of x at c

if for all ε positive

there exists some δ positive

and δ is less than d

such that for all x in the open

interval of c minus δ to c

we have the absolute value

of f(x) minus L2

is less than ε

such a fact is also written as

limit as x approaching c minus

f(x) equals L2

这个符号呢就表示

当x趋近于c 从左侧趋近于c的时候

它的极限是L2

也可以用更简单的方法 也就是

f c minus equals L2

这样的记号来表示这个事情

同学们

刚才我们新定义的左极限 右极限

和我们一开始就定义好的

f的在某个点处的极限

到底有什么关系呢

这个是需要同学们

一定要掌握的内容

It is obvious that from

Definition 2.1 plus 2.2

we can conclude the definition

of the limit of a function

which leads to the following theorem

也就是说

通过刚才单侧极限的定义2.1和2.2

两个合起来呢我们就会得到

最开始的那个

函数在某个特定点的极限的定义

因此呢

我们有了下面这样一个定理

theorem 2.3

limit as x approaching c f of x equals L

if and only if both left- and

right-hand limits of f(x)

exists at c

and f(x) minus equals f of x plus

and they are equal to L

整个这个定理呢

我们可以再明确地说一下

就是f在c处的极限是L

的充分必要条件是

左侧与右侧的极限都存在

而且它们相等

而且它们都是这个数L

很多时候 我们需要通过定义

来判断函数在某个点的

左右极限是否存在

然后再根据两侧极限的关系

来判定这个点极限的情况

下面呢 我们来看几个例子

Example

这个例子中我们给出的函数呢叫作

Heaviside function

请看它的定义

H of x equals

if x is less than zero

it’s defined to be zero

if x is positive or equals zero

it’s defined to be one

也就是说 如果x是负数的话

Heaviside 函数取值为零

如果x是大于零

或者等于零的一个数的话

Heaviside函数取值为1

这就是所谓的Heaviside function

这是一个非常特殊的函数

我们这里呢画出了

这个Heaviside函数的图像

我们注意到 从这幅图中啊

我们就可以看出

当x从左侧趋近于零的时候

Heaviside函数的极限呢是零

而当自变量x

从零的右侧趋近于零的时候

这个Heaviside函数的极限呢

取值为1

因此呢 我们发现

在零点左侧与右侧极限

实际上是不一样的

也就是说 H zero minus is

not equal to H zero plus

所以呢我们可以断定

Heaviside函数在零点呢

不存在极限

尽管它的单侧极限都存在

我们再看一个例子

f of x equals square root of x

这个函数呢 同学们注意

它的定义域呢 是x大于等于零

因此呢 我们可以说

as x approaching zero plus

也就是当x从右侧趋于零的时候

它是有极限的

它的极限啊很明显就是零

但是呢

因为f在这个零点的左侧呢

是没有定义的

我们说这个函数

它的左侧极限呢不存在

我们再看一个例子

f of x equals x to the x power

这个函数啊 它的定义域呢

是x严格大于零

我们可以证明

当x趋近于0加的时候

也就是当x从右侧

趋近于零的时候

这个函数的极限实际上是1

尽管这个事情呢

我们现在呢还证明不了

我们可以在后面呢

再讲讲是怎么证明这件事情的

但是呢 注意

因为x在小于等于零处没有定义

因此呢 我们说

f zero minus does not exist

f在零处的左侧极限不存在

again please plot a graph to see this fact

建议同学们呢用数学工具

去画一个这个函数的图像

来理解一下这件事情

another example

f of x equals e to

the minus one over

square root one minus x

这个函数呢 看上去挺复杂的

希望同学们呢

也是自己呢能做一下它的图像

来理解这个函数

注意 它的定义域呢

就是要求x要严格的小于1

好了 这时候呢我们说

在1的左侧

我们可以去找函数的极限

limit as x approaching one minus f of x

实际上这个极限结果啊是零

还是因为f在1的右侧没有定义

因此呢

f one plus does not exist

我希望同学们呢 在课后呢

仔细研究一下我们这里枚举的这几个

非常典型的例子

把这其中的一些细节啊补充出来

这样才能够真正掌握

极限的理论和方法

同学们 这一讲就到这里

这一讲的主要内容

是使用ε-δ语言

去定义函数的极限

以及函数的左极限 右极限

等等这些概念之间的关系

希望同学们在课后

复习巩固 牢牢掌握今天所学习的内容

在这堂课的基础之上

下一堂课 我们将继续研究函数的极限

好的 同学们

下堂课 再见

微积分-1课程列表:

Chapter 1 Numbers and Sets 数域与集合 (first part)

-Unit 1 Review of Real Numbers (回顾实数)

--Review of Real Numbers (回顾实数)

--Exercise1-1

-Unit 2 Exponentiations, Logarithms and Sets (指数、对数与集合)

--Exponentiations, Logarithms and Sets (指数、对数与集合)

--Exercise 1-2

-Unit 3 Limit Points, Open and Closed Sets (聚点、开集与闭集)

--Limit Points, Open and Closed Sets (聚点、开集与闭集)

--Exercise-1-3

Chapter 1 Numbers and Sets 数域与集合 (second part)

-Unit 4 Bounds and Completeness (有界性与完备性)

--Bounds and Completeness (有界性与完备性)

--Exercises-1-4

-Unit 5 Complex Number System, Algebraic and Transcendental Numbers (复数、代数数与超越数)

--Complex Number System, Algebraic and Transcendental Numbers (复数、代数数与超越数)

--Exercise-1-5

-章节测验1

--章节测试1

Chapter 2 Sequence 数列 (first part)

-Unit 1 Limit of a Sequence (数列的极限)

--Limit of a Sequence (数列的极限)

--Exercises-2-1

-Unit 2 Theorems on Limits of Sequences (数列极限定理)

--Theorems on Limits of Sequences (数列极限定理)

--Exercises-2-2

-Unit 3 Infinity and Bounded Monotone Sequences (无穷大和单调有界数列)

--Infinity and Bounded Monotone Sequences (无穷大和单调有界数列)

--Exercises-2-3

Chapter 2 Sequence 数列 (second part)

-Unit 4 Limit Superior and Limit Inferior (上极限和下极限)

--Limit Superior and Limit Inferior (上极限和下极限)

--Exercises-2-4

-Unit 5 Nested Intervals Theorem and Cauchy’s Convergence Criterion (区间套定理和柯西收敛准则)

--Nested Intervals Theorem and Cauchy’s Convergence Criterion (区间套定理和柯西收敛准则)

--Exercises-2-5

-章节测验2

--章节测试2

Chapter 3 Functions, Limits and Continuity 函数,极限与连续性(first part)

-Unit 1 Functions and Graphs (函数与图像)

--Functions and Graphs (函数与图像)

--Exercises-3-1

-Unit 2 Algebraic Function,Transcendental Functions and Inverse Trigonometric Functions (代数函数,超越函数与反三

-- Algebraic Function,Transcendental Functions and Inverse Trigonometric Functions(代数函数,超越函数与反三角函数)

--Exercises-3-2

-Unit 3 Hyperbolic Functions and Inverse Hyperbolic Functions (双曲函数与反双曲函数)

--Hyperbolic Functions and Inverse Hyperbolic Functions(双曲函数与反双曲函数)

--Exercises-3-3

-Unit 4 Maximum and Minimum, Increasing and Decreasing (极大值与极小值,单调增与单调减)

--Maximum and Minimum, Increasing and Decreasing (极大值与极小值,单调增与单调减)

--Exercises-3-4

Chapter 3 Functions, Limits and Continuity 函数,极限与连续性(second part)

-Unit 5 Limits of Functions (函数的极限)

--Limits of Functions(函数的极限)

--Exercises-3-5

-Unit 6 Infinity (无穷)

--Infinity (无穷)

--Exercises-3-6

-Unit 7 Theorems on Limits and Special Limits (极限相关定理与特殊极限)

--Theorems on Limits and Special Limits (极限相关定理与特殊极限)

--Exercises-3-7

Chapter 3 Functions, Limits and Continuity 函数,极限与连续性 (last part)

-Unit 8 Continuities (连续性)

--Continuity (连续性)

--Exercises-3-8

-Unit 9 Theorems on Continuity (关于连续性的定理)

--Theorems on Continuity (关于连续性的定理)

--Exercises-3-9

-Unit 10 Piecewise Continuity, Uniform Continuity, and Discontinuities (分段连续性, 一致连续性与不连续性)

--Piecewise Continuity, Uniform Continuity, and Discontinuities (分段连续性, 一致连续性与不连续性)

--Exercises-3-10

-Unit 11 Infinitesimals and Bounded Quantities (无穷小量与有界量)

--Infinitesimals and Bounded Quantities (无穷小量与有界量)

--Exercises-3-11

-章节测验3

--章节测试 3

Chapter 4 Derivatives 导数 (first part)

-Unit 1 Basics of Derivatives (导数基本定义)

--Basics of Derivatives (导数的基本定义)

--Exercise-4-1

-Unit 2 Differentiability on Intervals, Piecewise Differentiability and Differentials (区间上的可微性,逐段可微性与

--Differentiability on Intervals, Piecewise Differentiability and Differentials (区间上的可微性,逐段可微性与微分)

--Exercise-4-2

-Unit 3 Basic Methods of Differentiation (基本求导方法)

--Basic Methods of Differentiation (基本求导方法)

--Exercise-4-3

Chapter 4 Derivatives 导数 (second part)

-Unit 4 Derivatives of Commonly Used Functions (常见函数求导)

--Derivatives of Commonly Used Functions (常见函数求导)

--Exercise-4-4

-Unit 5 Higher Order Derivatives and Mean Value Theorem (高阶导数与中值定理)

--Higher Order Derivatives and Mean Value Theorem (高阶导数与中值定理)

--Exercise-4-5

-Unit 6 L'Hospital's Rules (洛必达法则)

-- L'Hospital's Rules (洛必达法则)

--Exercise-4-6

Chapter 4 Derivatives 导数 (last part)

-Unit 7 The First and Second Derivative Tests (导数判别法)

--The First and Second Derivative Tests (导数判别法)

-Unit 8 The Taylor Formula (泰勒公式)

--The Taylor Formula (泰勒公式)

--Exercise-4-8

-章节测验 4

--章节测试4

Chapter 5 Integrals 积分(first part)

-Unit 1 Definite Integrals and Numerical Methods (定积分与数值方法)

-- Definite Integrals and Numerical Methods (定积分与数值方法)

- Exercise 5-1

-Unit 2 Properties of the Definite Integrals and the Fundamental Theorem of Calculus (定积分的性质与微积分基本定理)

--Properties of the Definite Integrals and the Fundamental Theorem of Calculus (定积分的性质与微积分基本定理)

--Exercise-5-2

-Unit 3 Integrals of Elementary Functions and Integration by Substitution (初等函数的积分,换元法)

--Integrals of Elementary Functions and Integration by Substitution (初等函数的积分,换元法)

--Exercise-5-3

-Unit 4 Integration by Parts and Special Techniques(分部积分法与特殊技巧)

--Integration by Parts and Special Techniques(分部积分法与特殊技巧)

--Exercise-5-4

Chapter 5 Integrals 积分(second part)

-Unit 5 Integrations of Rational Fractions and Trigonometrical Rational Functions(有理分式函数与三角有理函数的积分)

-- Integrations of Rational Fractions and Trigonometrical Rational Functions(有理分式函数与三角有理函数的积分)

--Exercise-5-5

-Unit 6 Arc Length(弧长)

--Arc Length(弧长)

--Exercise-5-6

-Unit 7 Areas and Volumes(面积与体积)

--Areas and Volumes(面积与体积)

--Exercise-5-7

-章节测验5

--章节测试5

课程讲义

-课程讲义

Limits of Functions(函数的极限)笔记与讨论

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