当前课程知识点:微积分——多元函数与重积分 > 第一章 多元函数微分学 > 第一节 多元连续函数 > 二次极限的定义
前面我们介绍了函数在一点的
二重极限的概念
接下来我们看这几个例子
第一个例子 就是我们看一下
x趋向于零 y趋向于零
就是 x乘sin y分之一
加上y乘上sin x分之一
以及 我们这样写
先让y取定不等于零 让x趋向于零
对这个函数 我们取极限
取完之后 再对这个东西 让y趋向于零
那么我们先看一下
这两个极限表达式表示的含义
这一个 前面我们已经几次提到这个极限
我们知道 这指的是
当x y这个点趋向于原点时
问这个表达式的值
它是不是越来越接近一个常数
而且 我们还在前面讨论的时候知道
它接近的那个常数是什么
因为前面我们曾经证明过
这个极限应该是等于零的
那接下来 我们重点解释一下
第二个极限表达式
中括号里面指的是
对于不等于零的y值固定了之后
让x趋向于零 当y固定之后
这一个 这就是x的函数
那么 在x趋向于零的过程中
第一项 是一个无穷小量
与一个常数的乘积
所以第一部分极限自然是零
第二部分 这是一个不等于零的常数
而sin x分之一 在x趋向于零的过程中
它是在正一和负一之间来回震荡的
也就是说 第二部分极限是不存在的
从而这个中括号里面这个东西
它并不是一个具体的数
当然 对这个中括号我们再取极限
自然也得不到什么结果
也就是说 对同一个函数来说
在这个极限过程里面 极限是零
而在下面这一个先关于x求极限
求完之后再关于y求极限的这个过程里面
我们就得不到任何结果
这是一个例子
接下来 我们再看另外一个例子
就是说 我们看一下
x趋向于零 y趋向于零
x乘上y除上x方加y方
然后以及 让y趋向于零 x y x方加y方
然后让x先固定
固定完之后取完这个极限之后
我们再让x趋向于零
当然我们也可以把这个顺序反过来考虑下
我们先看这两个极限表达式
这是我们前面曾经讨论过的一个极限
我们知道 在x y这个点趋向于原点时
这个表达式它是没有极限的
也就是说 这个极限 它是不存在的
现在 我们如果让x固定为一个常数
在x是一个常数的前提下 让y趋向于零
分子是趋向于零的 分母是趋向于x平方
所以说 这个中括号里面的值
应该就是对任意不等于零的x来说
它都是等于零 等于零的时候
那么我们再让x趋向于零
这个结果自然是零
当然 如果我们看另外一个顺序
也就是对x y除上x方加y方这个函数
我们先让y固定为不等于零的值
让x趋向于零 取完之后
再让y趋向于零
也就是看这个极限
跟刚才的讨论是一样的
对固定的y来说 在x趋向于零的过程中
这个中括号的值都是零
那么我们再让y趋向于零取极限
结果自然还是零 这是第二个例子
第三个例子 我们来看一下
这个问题 也就是说
让x趋向于零 y趋向于零
考虑x加y方除上x方加y
那我们先看这个极限
这个极限 如果我把这个x y
限定在一个固定的路径上
也就是说 我让x趋向于零
同时 让这个点 在这条直线上
这个时候 这个函数就变成了
x加上k方x方 再除上一个
x方加上k倍的x
那么 x趋向于零的过程中
这个极限应该是趋向于k分之一
由这个结论 我们知道
我们考虑的这个二重极限 它是不存在的
但是 对这同一个函数
我们来看一下 这个极限运算
也就是说
我们先让y固定为一个不等于零的数
让x趋向于零取极限 取完之后
再关于y趋向于零取极限
那我们看一下
y固定为一个不等于零的常数
x趋向于零时 分子是y的平方 分母是y
所以这个表达式它的值应该就是y
最后让y趋向于零 所以我们得到
这个极限运算的结果是零
对同一个函数
我们把这个极限运算看成是这个
也就是 先让x固定为不等于零的数
我们取y趋向于零时的极限
取完之后 我们再让x趋向于零
那么 在这个极限过程里面
y趋向于零的时候
就是对于不等于零的x来说
这个括号里面应该是x分之一
那么再让x趋向于零
这应该是一个无穷大量
我想通过这三个例子
想说明这么一件事情
实际上 就是对二元函数来说
这都是相应的极限运算
那么对二重极限 怎么刻画
我们前面做了重点介绍
现在我们主要是想说一下后面这个
譬如说 就第二个例子来说
这个是对一个二元函数
先让x固定 让y趋向于零
取完之后 再让x趋向于零
我们可以形象地说 是对这个函数
先关于y再关于x的一个极限运算
那下面这一个 自然应该就称为
是关于这个函数
先关于x后关于y的一个极限运算
实际上 这两个极限运算
它应该是有先后次序的
那在这个例子里面 当然大家看不出
在这两个极限运算的次序下
它的差别是什么 因为它都是有极限的
极限值都等于零 但是在第三个例子里面
我们可以很清楚地看到
对同一个函数在同一个点
你是先关于x取极限 先关于x后关于y取极限
还是先关于y后关于x取极限
它的结果是不一样的 实际上出现这种现象
我们也不应该感到奇怪
因为在一元函数微积分里面
讲到极限运算时 我们应该是特别强调过
极限运算它是没有所谓的交换律的
也就是对一般的极限运算问题
我们不能轻易地改变它的运算次序
那么 对一般的二元函数来说
我们对这两种极限给它一个名字
这就是我们这一节要介绍的
所谓的二次极限 也叫累次极限
所以我们这一节介绍的内容 就是累次极限
对二元函数来说
我们有时候也称为是二次极限
我们直接给出二次极限的定义
设f x在平面上的点集D上有定义
P0 坐标是x0 y0是点集D的一个聚点
如果对固定的y x趋向于x0时
函数f x的极限存在 而且极限值
我们用phi y来表示
那么 若y趋向于y0时
phi y的极限存在 值是A
则称A是函数f x y在x0 y0处
先关于x 后关于y的二次极限
或者叫累次极限
记作f x先对x趋向x0取极限
后对y趋向于y0取极限
它的极限 值是A 类似的
那我们写这个东西
也就是对f x y来说
如果我们先让x不等于x0固定
关于y趋向y0取极限
取完之后 我们再来考虑
x趋向x0取极限 如果这个极限有
也是A 那我们就称
A是这个函数在这一点
先关于y后关于x的累次极限
或者是二次极限
通过我们一开始讨论的这几个例子
譬如说我们的第二个例题
因为现在在一点 关于一个二元函数
我可以考虑三个极限问题
一个就是二重极限
一个是先关于y后关于x的累次极限
还有 就是先关于x后关于y的累次极限
那么 第二个例题说明
累次极限是不是存在 值是多少
与二重极限 应该是没有关系的
因为这个例子 二重极限不存在
但是两个累次极限都存在
而且都等于零
那要是看第三个例子的时候
我想第三个例子
进一步地佐证了我们刚才这个说法
因为对第三个例子来说
在原点 它的二重极限不存在
这个先关于x
后关于y的累次极限存在等于零
但是先关于y后关于x的累次极限
也是不存在的
但现在我们想讨论一个问题
对一个函数 在一个指定点来说
尽管我们讨论的是三个极限过程
但是它毕竟是
一个函数在同一点的极限问题
刚才那几个例子
我们主要强调了这几个极限之间的无关性
那它到底有关无关 我们给一个定理
这个定理是这样子的
若函数f x y在x0 y0处的二重极限存在
二重极限值是A 而且对固定的y来说
f x y关于x趋向于x0时的极限存在
它的值记成phi y
那么 我们的结论是
phi y在y趋向于y0时的极限一定存在
而且极限值就是二重极限值A
那么如果从
二重极限和累次极限的关系来说
也就是说 在二重极限存在的前提下
如果我们在累次极限里面
第一个极限过程它的极限是存在的
那么第二个极限过程
它的极限一定存在 而且它的值
就是二重极限值
接下来 我们简单说一下 这个结论的证明
这个结论的证明 我们就想一下
什么叫 这个极限存在等于A
实际就是一个一元函数
在一点极限是A的定义
也就是说 对任意的ε大于零
我们要找一个小δ
只要y到y0的距离小于δ而且不等于零
那么f y 就是phi y减掉A的绝对值
就应该小于ε 实际我们就是要证
对给定的ε 这样的δ存在不存在
那我们的条件是什么
条件是这个极限等式成立
和这个极限存在 那我们就这样写
证明 任给ε大于零
因为我们这个极限等式是对的
那根据二重极限的定义
所以我就存在一个δ1大于零
也就是当x y这个点
到x0 y0这个点的距离小于δ1时
也就是当x减x0的平方
加上y减y0的平方小于δ1且大于零时
我们就有f x y减A绝对值是小于ε
这是我们的条件
接下来我们为了把这个条件
转化成我们需要的形式
也就是说 我以x0 y0这个点为圆心
现在得到了一个半径是δ1的圆盘
只要点跑到这个圆盘里面来
这个不等式都是存在的
现在我就取这个圆盘的一个内接正方形
那么 这个内接正方形的边长的一半
根据勾股定理 我们知道
应该就是根下二分之一倍的δ1
所以现在我就取δ就等于
根下二分之一倍的δ1
然后 则当x到x0的距离
也就是这个差的绝对值
大于零小于δ 而且y到y0的距离
也就是这个绝对值 也是大于零小于δ时
那么这个点 一定是在这个内接正方形里面
从而这个点一定是在这个圆盘里面
这个时候 我就有 这个不等式还是成立的
现在 我们再用这个条件
这个条件 也就是说对不等于y0的y来说
它这个极限存在
那么现在在这个不等式两端
我们令x趋向于x0
如果x趋向于x0的时候
这一边就跑到phi y减A的绝对值
这边自然是常数,仍然是ε
根据极限的保号性质 我们就有这个结论
令x趋向x0 我就会得到 f 就是这个极限
我就用phi y来表示
phi y减A这个绝对值小于等于ε
这是对的
现在我们从头到尾看一下
我们是不是证明了这么一件事
对任给的ε大于零
我找到了一个具体的δ大于零
只要y到y0的距离小于δ大于零
就得到了这个不等式成立
而这个不等式成立
也就是这个极限等式成立
所以证到这儿 我们就证明了这个结论
那么 这个结论 结合着前面这三个例子
我们可以回过头来总结一下
二重极限 跟累次极限到底有什么关系
如果单纯从概念上讲
它是不同的极限问题 当然没有关系
但是有了这个定理之后 也就是说
当你二重极限存在的时候
你的二次极限只要存在
它的值一定就是二重极限的极限值
换句话说 我们也可以用
这样用这个结论
说对一个函数在一个点
如果它的两个二次极限
至少有一个不存在
或者是说 两个二次极限都存在
而且相等的时候
以及反过来看看
它的二重极限的存在性问题
最后咱们看这么一个函数
f x y等于x方减y方 除上x方加y方
那么 我们看这个函数在原点
它的二重极限问题 请大家找一找理由
我的结论是 它的二重极限不存在
请大家回答为什么
另外一个 我们再看一下
对这个函数 在原点
先关于x后关于y它的累次极限是什么
也就是先关于x后关于y
它的累次极限是什么
我的结论 这个累次极限 应该是负一
如果在原点
先关于y后关于x的累次极限是什么
这个结论 我给出来应该是一
那么对这个函数来说
如果我讨论二重极限存在性的时候
现在我能不能这样说
因为它在先x后y的极限次序下
它的结果是负一
而在先y后x的极限次序下结果是一
而这两个是不等的
所以这个函数在原点的二重极限
肯定是不存在的
因为根据刚才这个例题
如果二重极限存在的时候
当两个累次极限也都存在的时候
它的值都应该是二重极限的极限值
-第一节 多元连续函数
--开集、闭集、区域
--二重极限的定义
--二重极限的例题
--二次极限的定义
-第一章 多元函数微分学--第一节练习题
-第二节 多元函数的偏导数
--偏导数的概念
--偏导数的几何意义
--高阶偏导数的概念
-第一章 多元函数微分学--第二节练习题
-第三节 多元函数的全微分
--全微分的概念
--可微的必要条件
--可微的充分条件
--可微的充要条件
--多元函数的原函数
-第一章 多元函数微分学--第三节练习题
-第四节 多元函数的微分法
--隐函数存在定理
--隐函数组求导法
-第一章 多元函数微分学--第四节练习题
-第五节 多元函数的方向导数与梯度向量
--方向导数的概念
--方向导数的计算
-第一章 多元函数微分学--第五节练习题
-第六节 映射及其微分
--复合映射的微分法
-第一章 多元函数微分学--第六节练习题
-第七节 多元函数的泰勒公式(以二元函数为例)
-第一章 多元函数微分学--第七节练习题
-第一节 多元函数微分学的几何应用
-第二章 多元函数微分学应用--第一节练习题
-第二节 多元函数的极值
--极值点的判别法
--极值问题举例
-第二章 多元函数微分学应用--第二节练习题
-第三节 多元函数的条件极值
--条件极值问题举例
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--二重重积分引入
--二重积分定义
--二重积分性质
-第二节 二重积分的计算
-第三章重积分--第二节练习题
-第三节 极坐标系及一般坐标系
--极坐标系
--一般坐标系
-第三章重积分--第三节练习题
-第四节 三重积分
--三重积分的引入
--三重积分的定义
--三重积分的性质
--直角坐标系
--空间坐标变换
--空间柱坐标系
--球坐标系
--球坐标系例题
-第三章重积分--第四节 练习题
-第五节 第一类曲线积分
-第三章重积分--第五节 练习题
-第六节 第一类曲面积分
-第三章重积分--第六节 练习题
-第七节 含参变量积分
--含参定积分的定义
--含参积分的连续性
--含参积分的导数
--含参积分的例题
-- 广义含参积分的一致收敛性
-第三章重积分--第七节 练习题
-第一节 第二类曲线积分
-第四章 向量分析--第一节 练习题
-第二节 Green公式及其应用
-第四章 向量分析--第二节 练习题
-第三节 第二类曲面积分
--曲面的定向
-第四章 向量分析--第三节 练习题
-第四节 Gauss公式与Stokes公式
--Gauss公式
-第四章 向量分析--第四节 练习题
-第五节 无源场,保守场与调和场
--平面保守场
--势函数及其计算
--空间保守场
--常见的场
-第四章 向量分析--第五节 练习题
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--微分方程概念举例
-第二节 可求解的一阶微分方程(初等积分法)
--变量分离方程
--齐次型方程
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-第三节 高阶线性微分方程解的结构
-第五章 常微分方程--第三节 练习题
-第四节 高阶线性常系数微分方程
--欧拉方程
--欧拉方程举例
-第五章 常微分方程--第四节 练习题