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

下一节:Continuity (连续性)

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

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

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

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

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

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)

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-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

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--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)

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-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

Theorems on Limits and Special Limits (极限相关定理与特殊极限)笔记与讨论

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