当前课程知识点:微积分-1 > Chapter 3 Functions, Limits and Continuity 函数,极限与连续性(second part) > 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)
同学们你们好
欢迎来到MOOC在线课程微积分
前面几堂课中呢
我们已经学习了函数极限的概念
接下来我们要
深入细致地研究函数极限
今天的主要内容呢
就是函数极限的四则运算
以及一些基本的常见的
函数极限的公式
掌握了这部分内容之后呢
我们就可以求出更多更复杂的
函数极限问题的答案了
好的
我们从第一小节讲起
就是函数极限的四则运算
Chapter 3
Functions Limits and Continuity
函数 极限与连续性
Unit 7
Theorems on Limits
and Special Limits
极限相关定理与特殊极限
Section 1
Theorems on Limits
极限相关定理
同学们
首先呢
我们要介绍一些最简单最基本的
极限的性质
也就是极限的四则运算
We assume that
limit as x approaches c
f of x is A
我们假设
f在x趋近于c点的时候
它的极限是A
另外呢
We assume that
limit of g of x
as x approaching c
is B
g这个函数在c点的极限是B
这时候呢
我们有下面的定理
Theorem 1.1
limit of f of x plus g of x
as x approaches c
is the limit of x approaches c of f of x
plus the limit as x approaches c g of x
这句话什么意思呢
也就是说
函数和的极限
实际上是极限的和
当然也就是A加B了
当然这个前提是
要求每一个分别的极限都存在
也就是A和B
类似的呢
我们有下面的定理
the limit as x approaches c
of f of x minus g of x
is the limit of f of x
as x approaches c
minus the limit of g of x
as x approaches c
equals A minus B
也就是说
函数差的极限
实际上是极限的差
类似的我们有
the limit of f of x
times g of x
as x approaches c
is the limit of f of x
as x approaches c
times the limit of g of x
as x approaches c
也就是
A times B
这个定理的意思就是说
函数乘积的极限
等于极限的乘积
类似的还有下面这个定理
If B is not zero
注意这个条件
当刚才这个极限B
不等于零的时候
我们有
limit of f of x over g of x
as x approaches c
is the limit of f of x
as x approaches c
divided by
the limit of g of x
as x approaches c
也就是A除以B
这个定理的意思是说
函数商的极限等于极限的商
但是前提条件是要求
分母的极限存在而且不等于零
也就是这里的B不等于零
The four facts can be easily
proved in epsilon -delta language
刚才啊这四个定理呢
实际上都可以用严格的
epsilon – delta的语言来证明
因为这个证明呢
稍微有一些复杂
我们这节课中呢就不一一提及了
同学们 下面呢
我们来看几个例子
来应用刚才说的这几个定理
这里呢我们需要强调一下
极限在进行运算的时候呢
一定要保证
参与运算的每一个极限本身
都存在
而且出现分母的时候呢
不能出现零
好请看这样的例子
limit of sine x plus cosine x
as x approaches pi
它是等于多少呢
根据刚才我们说
函数和的极限
实际上是极限的和
我们可以把这个极限呢
分别取到两个函数上去
is the limit of sine x
as x approaches pi
plus the limit of cosine x
as x approaches pi
这两个极限呢分别是0和负1
因此呢我们的极限就是
zero plus minus one exactly
也就是
minus one
好我们再看一个例子
the limit as x approaches 1
of x square times log x
这个极限等于多少呢
我们注意
当x趋近于1的时候
x平方
它的极限是存在的
当x趋近于1的时候
ln x 的极限也是存在的
因此刚才这个积的极限呢
就等于函数极限的乘积
它们分别是1和0
那么它们两个乘起来呢还是零
因此呢
我们说这个极限的结果是零
好我们再看一个例子
limit as x approaches 0
of square root 4 plus x
minus 2
over x
这个式子呢
比刚才的极限呢都要复杂
我们要做一下处理
才能看出它的极限得多少
我们怎么做呢
请看
上下同乘以一个同样的式子
也就是
square root 4 plus x plus 2
当我们上下同乘以这个式子的时候呢
我们看出来
上面的分子就变成了
4 plus x minus 4
while the denominator becomes
x times square root of 4
plus x plus 2
再化简一步
it is the limit
as x approaching 0
of 1 over square root
4 plus x plus 2
这个(1)式中啊
我们就可以看出来
当x趋近于零的时候呢
有一个根号
还有一个加法
那么根据刚才我们说
这个和式的极限呢
等于极限的和
好
我们看出来
这个极限式啊就非常容易求了
因为根据极限的运算法则呢
我们可以分别求
这里边呢有一项
就是根号下4加x
这一项呢极限是比较容易求的
因为当x趋近于零的时候
根号下4加x呢
它的极限就是根号4
因此整个结果呢
也就是(2)式给出来的
1 over square root of
2 plus 2
最后结果也就是
a quarter
4分之1
我们有这样一个注记
Remark 1.8
The technique that
we deal with Example 1.7
就是刚才这个例子中啊
我们用的这个technique
技巧是什么呢
就是rationalization
有理化
因为我们把其中的一些
带根号的式子呢
给它化简成另外的式子了
这个过程叫做有理化
同学们
刚才这个例子啊
我们做过之后呢
可能有人会问
这个极限啊
分别是零和另外一个实数乘起来
当然结果还是零
但是如果其中一个极限是零
另外一个是无穷呢
这时候相乘能得到什么呢
是零
还是别的什么数呢
这个呢是一个比较复杂的问题
我们在后边会单独处理这种问题
section 2
Special Limits
特殊的极限
在本单元的最后呢
我们要给同学们
介绍几个特别重要的极限公式
因为以前啊
我们学习了函数的定理性质
运算法则等等
在实际应用中呢
我们会把复杂的极限
归结为这些非常基本的
函数的极限
这些常用函数极限的公式啊
非常地重要
我们要在后面的计算中呢
反复用这些公式
Here is a list of
special limits
that we need to remember
下面所列的这些极限公式啊
希望同学们牢牢记住
The proofs can be found
in the reading materials
of this course
而这些证明呢
我们就不在课上给出了
只是作为附属材料呢
附在这个课程中
好 第一个 请看
limit of sine x over x
as x approaches 0
is 1
这个我们前边讲到过这个极限
类似地
limit as x approaches 0
of 1 minus cosine x
over x square
这个极限的结果呢是2分之1
再比如
1 plus 1 over x to the x power
the limit of this thing
as x approaches infinity
这个极限的结果呢
实际上就是e
还有
limit of 1 plus x to the 1 over x
as x approaches 0
from positive side
这个极限的结果呢也是e
这两个式子啊
都可以看成e的定义式
还有
the limit of
e to the x power minus 1
over x
as x approaches 0
这个极限的结果呢是1
再有
the limit of x minus 1
over ln x
as x approaches 1
这个极限呢结果也是1
同学们
上面我们罗列的这些公式啊
同学们可以自己尝试去证明一下
注意啊
这其中啊有几个比较核心的
只要有其中一个
就可以推导出其他几个
希望同学们呢
在课后呢自己尝试一下
下面呢我们来看几个具体的例子
应用这些公式
希望同学们体会一下
这其中用的各种技巧
请看
Example 2.1
The limit of
a to the x power minus 1 over x
as x approaches 0
这里我们求的这个极限式啊
有点儿像
我们刚才给出的这个公式
也就是
e的x次方减1除以x的极限式
那我们怎么转化呢
请看
我们把它改写成这个样子
把a to the x power
改写成
e to the x power times ln a
而分母呢
分母呢我们给它乘了一个ln a
当然整个式子都乘了一个ln a
这个时候呢
我们可以把它
类比刚才我们提到的
那几个基本公式
我们就可以把它写成
limit as y approaches 0
e to the y minus 1 over y
整个乘以 ln a
也就是相当于
我们把整个x乘以lna这个量呢
给它换成了一个y
当然这时候极限式就非常明显了
因为前一个极限式的结果是1
所以整个极限就是lna
好的
我们再看一个例子
Find limit
as x approaches infinity
cosine of 1 over x
and then to the x square power
这个结果是多少呢
这个式子看上去稍微有一些复杂
下面我们给出解答
当然我们给出的解答呢
非常地简明扼要
希望同学们呢
仔细思考这其中的缘由
let A equals
ln of cosine 1 over x
to the x square power
把整个式子呢取一个log
把这个结果呢记成A
当然注意
这个A呢是依赖于x的
and let t equals 1 over x
假设另外一个量就是t
它呢代表了1除x
这个时候呢我们可以发现
A和t的关系就是
A equals cosine t
minus 1 over t square
并且我们要注意到
当x趋近于无穷的时候
实际上t呢是趋近于零的
因此
the limit of
x approaches infinity of A
is the limit of A
as t approaches 0
注意原来的x啊
是趋近于正无穷的
这时候t呢实际上是趋近于零
但是是从右侧趋近于零
因此呢应该说写成
t approaches 0
from positive side
也就是t趋近于零加
好了这个时候
我们看出它的极限呢
就是负的二分之一
这里应用了刚才我们列出来的
几个基本极限
好的
有了这个结果呢
我们回到原式
也就是
the limit of cosine 1 over x to the x square
as x approaches infinity
这个结果呢
就是刚才我们得到的
这个负二分之一啊
通过指数返回去
应用我们一开始取的log
也就是e to the minus a half
当然这个可以改写成这样
也就是
1 over square root of e
这就是整个这个极限的结果
同学们
我们可以看出啊
我们求解这个函数极限的过程呢
都是通过了变形 还原等技巧
转化成我们已经掌握的
这个几个基本的函数极限
希望同学们呢
熟练掌握这几个常用的方法
和常用的极限
下面呢我们再看几个例子
Example
Find the limit of
x plus a over x minus a
t o the x power
a s x approaches infinity
这个地方呢
就需要我们做比较大的形变了
我们下面给出解答
Answer
The above
can be written as this
整个上面这个式子啊
要改写成另外一个方式
我们这里呢
就不给同学们详细念每个步骤了
希望同学们仔细地看一下
这个变形的过程
当整个式子变成这个样子的时候
我们可以做代换了
也就是把其中的一部分换成了y
改成这个样子的时候呢
我们看出来其中有一个式子
已经变成了
我们熟悉的极限的模样
因此呢整个极限的结果就是
e to the 2a
好的我们再看一个例子
Find limit of
1 plus x to the ath power
minus 1 over x
as x approaches 0
这个呢也需要我们做变形
好 下面给出解答
如果a等于零
if a is always 0
then the above
is very simple
如果a等于零的话
这个式子啊实际上非常简单
我们就不详细解释了
同学们可以直接找出它的极限
就是零
如果a不等于零呢
这时候我们需要观察一下了
1 plus x to the ath power
minus 1 over x
can be written as this
e to the a times ln 1 plus x
minus x over x
到这一步呢
仍然我们看不出来
它和基本的极限有什么关系
所以还需要再进一步
把它改写成下面这个式子
这个式子比较长呢
我就不念了
好
改成这个式子的时候呢
我们看出来
它和前面我们提到的
一些基本极限呢
就非常的相似了
只需要做几个
简单的代换就可以了
总之最后结果呢实际上就是a
这里呢我们跳过了几个步骤
希望同学们自己把它们找出来
好
最后一个例子
Assume that a_1 a_2 a_n
are positive constants
假设现在有n个给定的正的常数
a_1 a_2 到a_n
can we find the limit
as x approaches 0
of this thing
整个这个式子啊非常长
就不念了
同学们想一想
这个极限的结果是多少呢
这个呢是一个比较难的极限问题
我建议同学们
先试一下n等于2的时候
看看能不能找出极限
好下面呢我们给出解答
我们给出这个解答啊
只给出了其中几个关键步骤
有一些过程呢
我在这里呢就不提了
而需要同学们在课后
自己把它们找出来
我们说一下这几个关键步骤
就是首先要
令A等于这样一个式子
另外呢令r等于x分之1
这时候呢A times r
就会变成这样一个式子
1 over n times the summation
这里出现了这个求和符号
summation
sigma i from 1 to n
of a_i to the x power
minus 1 over x
好的
这个时候呢
我们就可以算出来这样一个极限
就是
limit as x approaches 0
A times r
它的极限我们把它记成lambda
这个极限的结果呢就是
1 over n times
summation i from 1 to n
ln a_i
这个极限过程呢
也是需要同学们思考一下
为什么是这样的
当然这个结果呢
还可以换一种写法
就是说现在写的这个样子
算到这一步呢
原来那个极限
也就是L呢就可以算出来了
它就是e to the lambda
结果当然也就是
a_1 times a_2 dots to a_n
and then take 1 over nth power
这就是整个刚才这个极限的结果
这里呢
我们省略了很多很多关键的步骤
同学们一定要课后
自己把它找出来
同学们
上面这些例子中啊
我们能够体会到
掌握极限的四则运算法则
以及基本的极限公式
并且熟练运用这些知识呢
就可以进行极限的求解
而且解题中啊
有的时候呢我们需要有理化
等等这些运算技巧
这也是要求大家熟练掌握的
希望同学们呢
自己多找一些题目来巩固练习
同学们
这一讲就讲这么多
我们学习了函数极限的四则运算
以及一些基本的极限公式
在这些基础之上呢
我们使用了一些计算方法和技巧
去求出一些
复杂的函数极限问题的答案
同学们在课后呢一定要多做练习
才能掌握这里边的
计算技巧和思维方式
好的
我们下一节课继续研究
函数极限的另一个重要内容
就是函数的连续性
希望同学们提前预习好
好的
下堂课再见
-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)
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--Limit Points, Open and Closed Sets (聚点、开集与闭集)
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--Complex Number System, Algebraic and Transcendental Numbers (复数、代数数与超越数)
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-章节测验1
--章节测试1
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--Theorems on Limits of Sequences (数列极限定理)
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--Limit Superior and Limit Inferior (上极限和下极限)
--Exercises-2-4
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--Nested Intervals Theorem and Cauchy’s Convergence Criterion (区间套定理和柯西收敛准则)
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-- Algebraic Function,Transcendental Functions and Inverse Trigonometric Functions(代数函数,超越函数与反三角函数)
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-Unit 5 Limits of Functions (函数的极限)
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-Unit 7 Theorems on Limits and Special Limits (极限相关定理与特殊极限)
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--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
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--Differentiability on Intervals, Piecewise Differentiability and Differentials (区间上的可微性,逐段可微性与微分)
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--Exercise-4-4
-Unit 5 Higher Order Derivatives and Mean Value Theorem (高阶导数与中值定理)
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--Exercise-4-5
-Unit 6 L'Hospital's Rules (洛必达法则)
--Exercise-4-6
-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)
--Exercise-4-8
-章节测验 4
--章节测试4
-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
-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)
--Exercise-5-6
-Unit 7 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
