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二重极限的定义

下一节:二重极限的性质

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二重极限的定义课程教案、知识点、字幕

同学 你好

欢迎来到中国大学先修课

《多元微积分》MOOC课堂

我是中国科大 微积分老师 宣本金

网上人称“笨笨熊”老师

本讲 我们来学习多元微积分中

研究多元函数的重要工具

多元函数的极限

我们称依赖于两个

自变量的函数为二元函数

它的定义域一般是平面上的一个区域

依赖于三个自变量的函数称为三元函数

它的定义域一般是空间中的一个区域

类似于一元微积分

我们从一元函数的极限概念入手

逐步学习函数的连续性

可微性和可积性等概念及其应用

对于二元函数和多元函数

我们也将从它们的极限概念

开始多元函数的微积分学习

我们回顾一下一元函数的极限

它描述的就是当自变量

有一个明确的变化趋势时

函数取值是否具有一个明确的变化趋势

那么 对于一个二元函数

我们有时也需要描述当自变量

有一个明确的变化趋势时

函数取值是否具有一个明确的变化趋势

这就要求首先明确

如何刻画平面上的点

如何趋向于一个事先给定的点

以及函数取值与猜想的极限值之间的距离

在微积分学的严格化过程中

魏尔斯特拉斯通过两组相关的不等式

给出了一元函数极限的

ε-δ语言精确定义

它定量地刻画了自变量与极限点

函数取值与极限值之间的

距离的相互依赖关系

使得极限概念

乃至整个微积分学

建立在严格的逻辑基础之上

对照一元函数情形

可以写出二元函数极限的

ε-δ语言精确定义

这个定义与一元函数情形

有什么联系与区别

同学 你能写出三元函数极限的

ε-δ语言精确定义吗

在学习多元函数微积分时

我们总是与一元的微积分

相关概念作比较

理解多元情形与一元情形

相应概念间的异同点

及其产生的原因

具体到极限概念

一元函数与二元函数的极限概念

它们的本质思想是一致的

都是要定量地刻画两个“很接近”

并且它们的书写形式也很类似的

不同点体现在自变量的趋近方式上

对于一元函数极限

是在一维数轴上考虑问题

当自变量x趋近于极限点c时

x要么在c的左边

要么在c的右边

因此我们当时引入了左 右极限等单侧极限

但是对于二元函数的极限

是在二维的平面上考虑问题

平面上的动点趋近于极限点时

方向可以无穷多

趋近路径也可以无穷多

而极限与趋近方向和路径无关

这些多样性决定了

二元函数极限远比

一元函数极限要来得复杂

后面 我们将通过实例加以深入理解

一元函数极限的ε-δ语言精确定义中

不等式0<|x-c|<δ

是定量地刻画自变量x

与极限点c之间的趋近关系

即x与c很接近

但不相等

对于二元函数情形

由于函数定义域D形状的多样性

我们更需要更准确地刻画变量变化趋势

首先 要求极限点M0是定义域D的聚点

不必一定要求M0属于定义域D

其次 函数取值的动点M一定是在定义域D内

与M0很接近

但不等于M0

综合起来

可以用一个表达式来表示

类似于一元函数极限的几何意义

我们可以利用简单的图示

理解二重极限的几何意义

对于一个二元函数f(x,y)

平面上的一个给定的点M0

以及一个实数L

对任意给定正数ε

存在一个正数δ

为了使二元函数的取值介于

L-ε和L+ε之间

也就是 为了函数图像落在

由z=L-ε和z=L+ε

两张平面所分割成的层状区域内

要求自变量在M0的δ-去心邻域内变化

考察二元多项式函数

在点(1,3)处极限情况

首先利用二元多项式的取值情况

以及一元多项式极限情况的提示

我们有理由猜测

上述二元多项式在点(1,3)处的极限值

为函数在该点的取值8

那么如何按照二重极限ε-δ语言精确定义

进行验证

也就是要估计多项式取值与8的差值

是否是要多小就有多小

为此对差值作恒等变形

把数值8拆成2和6的和

再分组讨论单项式x² y与2 3y与6的差

对于后者

可以提取公因数3

再看y与2的差

它是“要多小就有多小”的 对于前者

没有公因子可以提出去

减一项加一项2x²

再分组讨论

这样每组都有一个公因子可以提取

剩下可以分开讨论

同学

仔细体会一下上述过程每一步推导的理由

再动手写出严格的验证过程

到学习讨论区

与小伙伴们交流交流吧

由此 我们可以得到

二元多项式函数的极限

就等于函数在极限点处的取值

我们再来考察二元有理函数的极限问题

首先 考察这个二元有理函数

在点(1,1)处的极限

点(1,1)是二元有理函数的定义域内的点

并且有理函数的分子与分母

在点(1,1)处的极限

分别就等于多项式在该点的取值1和2

因此 有理由猜测

二元有理函数在 (1,1)处的极限值

等于二分之一

也就是二元有理函数在

(1,1)处的函数取值

我们再来考察上述二元有理函数

在原点处的极限问题

这与上面的讨论有区别吗

此时 有理函数的分母在原点处取值为零

因此 函数在原点没有定义

但原点是有理函数定义域的一个聚点

为了考察有理函数在原点处的极限

我们尝试利用控制变量法

即先取定一个变量

仅让一个变量变化

例如 取定y=0

再让x趋于零

也就是 动点沿x轴趋于原点

直接计算可得极限为零

再取定x=0

再让y趋近于零

也就是 动点沿y轴趋近于原点

直接计算可得极限也为零

那么 我们可不可以说

这个二元有理函数在原点处的极限为零

对于上面的二元有理函数

在原点处的极限问题

上述讨论发现

当动点沿着两个坐标轴趋于原点时

极限为零

我们再来沿着其它直线趋于零试试

令y=kx

代入函数表达式可得

函数取值是一个仅与k有关的常数

因此 当动点沿直线y=kx趋于原点时

极限值随着k变化而变化

也就是动点沿着斜率不同的直线趋于原点时

极限不是一个定值

而是变化的

因此

这个二元有理函数在原点处不存在极限

这个例子具有一般性

也就是

如果动点沿着斜率不同的直线

趋于极限点时

极限不是一个定值

则原来函数在该点的二重极限不存在

那么 问题来了

如果动点沿着斜率不同的直线

趋于极限点时

极限是一个定值

能够推出二元函数的二重极限一定存在吗

考察二元有理函数在原点处的极限问题

如果让动点沿着任意一条直线趋于原点

得到的极限都是零

那么

我们能够说这个二元有理函数

在原点处的二重极限存在

并且极限值为零吗

注意到 在函数的表达式中

变量y的幂次总是x的一半

因此令y=kx²

再取极限

也就是让动点沿着抛物线趋于原点

代入计算可得

极限是一个随着k变化而变化的值

因此 这个二元有理函数

在原点处的二重极限不存在

再次回顾一下二重极限的

ε-δ语言精确定义

它仅仅要求动点落在极限点的

δ-去心邻域内

对动点沿着什么方向

或者什么路径趋于极限点

没有作任何要求

也就是说 二重极限存在

蕴含着 当动点沿着任何方向

或者任何路径趋近于极限点

极限值都存在

并且极限值都相等

那么 这个命题的逆否命题是什么

如果沿着某个方向

或者路径极限不存在

或者沿着不同方向或者路径

极限虽然存在

但是极限不相等

则可以推出二元函数

在该点处的二重极限不存在

类似可以考虑其他形式的二重极限问题

同学 动脑想一想

本讲 我们比照着一元函数极限的

语言描述和精确定义

给出了二元函数的二重极限的

语言描述和精确定义

并按照定义验证了简单二元函数的二重极限

二重极限不存在

有可能是由于多种不同原因造成的

这中复杂多样性

正是二重极限与一元函数极限的区别所在

也是多元微积分远比

一元微积分复杂的根本原因

为了更加方便快捷地

研究二元函数的二重极限

我们学习一些二重极限的性质

并利用二重极限的性质

帮助计算二重极限的值

有关二重极限的性质

请听下回分解

多元微积分(先修课)课程列表:

第一章 空间解析几何与向量代数

-第一节 空间直角坐标系

--平面初等几何

--平面解析几何

--空间直角坐标系

--空间图形与方程

-第一节 空间直角坐标系--作业

-第二节 空间向量及其运算

--向量及其几何表示

--向量的代数表示

--向量的数量积

--数量积的应用

--平面方程及其应用

--向量的向量积

--向量积的应用

-第二节 空间向量及其运算--作业

-第三节 空间解析几何

--空间直线与曲线方程

--空间曲面方程

--柱坐标系与球坐标系

-第三节 空间解析几何--作业

第二章 多元函数的极限理论

-第一节 多元函数

--平面点集及其分类

--多元函数

-第一节 多元函数--作业

-第二节 多元函数的极限

--二重极限的定义

--二重极限的性质

--二重极限的计算

-第二节 多元函数的极限--作业

-第三节 多元函数的连续性

--多元函数的连续性

--多元连续函数的性质

-第三节 多元函数的连续性--作业

第三章 多元函数的微分及其应用

-第一节 偏导数与方向导数

--多元函数的一阶偏导数

--多元函数的高阶偏导数

--多元函数的方向导数

-第一节 偏导数与方向导数--作业

-第二节 多元函数的一阶可微性

--多元函数的可微性与全微分

--多元函数可微性的判定

--多元可微函数全微分的性质

--全微分与偏导数的计算

--隐式函数的可微性与偏导数

-第二节 多元函数的一阶可微性--作业

-第三节 一阶微分的应用

--多元可微函数的梯度

--多元函数梯度的应用

--参数曲面的切平面与法向量

--空间曲线的切线与法平面

--多元函数的近似计算与误差估计

-第三节 一阶微分的应用--作业

-第四节 多元函数的高阶可微性

--高阶混合偏导数的克莱罗定理

--高阶可微性与高阶微分

--多元函数的泰勒多项式展开

--多元函数的最值与极值

--多元函数极值的计算

--多元函数最值的计算

-第四节 多元函数的高阶可微性--作业

-多元微分学总结

--多元微分学总结

第四章 重积分及其应用

-第一节 直角坐标系下的二重积分

--矩形区域上的二重积分

--矩形区域上二重积分的计算

--非矩形区域上的二重积分

--非矩形区域上二重积分的计算

-第一节 直角坐标系下的二重积分--作业

-第二节 二重积分的计算

--极坐标系下的二重积分

--二重积分的换元法

--二重积分计算举例

-第二节 二重积分的计算--作业

-第三节 二重积分的应用

--二重积分的几何应用

--二重积分的物理应用

-第三节 二重积分的应用--作业

-第四节 直角坐标系下的三重积分

--箱型区域上的三重积分

--非箱型区域上的三重积分

--三重积分计算举例

-第四节 直角坐标系下的三重积分--作业

-第五节 其它坐标系下的三重积分

--柱坐标系下的三重积分

--球坐标系下的三重积分

-第五节 其它坐标系下的三重积分--作业

-第六节 三重积分的计算与应用

--三重积分的换元法

--三重积分应用举例

-重积分总结

--重积分总结

第五章 曲线曲面积分及其应用

-第一节 第一型曲线积分及其应用

--平面曲线弧长

--空间曲线的弧长与质量

--第一型曲线积分的定义与性质

--第一型曲线积分的计算

--第一型曲线积分的应用

-第一节 第一型曲线积分及其应用--作业

-第二节 第一型曲面积分及其应用

--曲面的面积

--第一型曲面积分的定义

--第一型曲面积分的计算

--第一型曲面积分的应用

-第二节 第一型曲面积分及其应用--作业

-曲线曲面积分总结

--曲线曲面积分总结

二重极限的定义笔记与讨论

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