MA.1.3 函数极限

函数、基本/初等函数、反函数

函数

函数

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反函数

条件:一一对应

Theorem

#反函数存在定理

严格单调函数必定存在相同单调性的反函数


证明:
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函数的复合

Definition

复合函数

f∘g(x)=f(g(x))

满足交换律

f∘(g∘h)=(f∘g)∘h

初等函数

函数极限

无穷的极限

函数极限的 #epsilon-X定义

无穷大处的极限

∀ε>0, ∃X=X(ε)>a, 当|x|>X时, 有

|f(x)−l|<ε

记为

limx→∞f(x)=l或f(x)→l  (x→∞)

类比得到无穷大/无穷小

某一点的极限

函数极限的 #epsilon-delta定义

∀ ε>0, ∃ δ>0, 当 0<|x−x0|<δ 时有

|f(x)−l|<ε

则记为

limx→x0f(x)=l或f(x)→l  (x→x0)

左右单侧极限同理可得

Theorem

f(x)在x0有极限⇔f(x)在x0左右极限相等

函数f(x)在x→x0时有极限的充要条件是
对于任意一个以x0为极限的数列{an} (an≠x0)都有limn→x0f(an)=l^91bb61

设f在(a,b)内单增有界,则f(a+0)和f(b−0)存在 且f(a+0)=inff(a,b),f(b−0)=supf(a,b)^b26dca

设f在U˚(x0)内单调有界,则f(x0±0)存在, 不能得出limx→x0f(x)存在
证明只需要在(a,x0), (x0,b)运用 #单调函数极限定理 即可^207454

limx→x0f(x)存在⇔
∀ε>0,∃δ>0,∀x′,x″∈U˚(x0,δ): $$|f(x')-f(x'')|<\varepsilon$$
其他五种极限不再赘述^aa2b80

极限的内涵

函数f(x)在x→x0时有极限的充要条件是
对于任意一个以x0为极限的数列{an} (an≠x0)都有\lim\limits_{n\to x_{0}}f(a_{n})=l$

- 理解:
- 任意的离散 = 连续
- (函数值构成的)数列极限<=>函数极限
- 下标:异于x0,趋于x0
- 证明:
- ->:x−x0→xn−x0
- <-:反证法+构造性证明 |f(xδ)−l|≥ε0 →δ=1n→0 |f(an)−l|≥ε0, 矛盾
- 应用:常用于判定函数极限不存在
- 找到不相等的极限l
- #单调有界定理 -> #单调函数极限
-

设f在(a,b)内单增有界,则f(a+0)和f(b−0)存在 且f(a+0)=inff(a,b),f(b−0)=supf(a,b)

>desmos-graph >width=400;height=200 >top=1;bottom=-1;left=-1.5;right=1.5; >--- >y=\sin x\left\{-1<x<1\right\} >
>证明见P42:sup定义 / #确界原理
-

设f在U˚(x0)内单调有界,则f(x0±0)存在, 不能得出limx→x0f(x)存在
证明只需要在(a,x0), (x0,b)运用 #单调函数极限定理 即可

- #Cauchy收敛准则 -> #Cauchy判别准则^dce2c1
-

limx→x0f(x)存在⇔
∀ε>0,∃δ>0,∀x′,x″∈U˚(x0,δ): |f(x′)−f(x″)|<ε
其他五种极限不再赘述

- 理解:
- 自变量位于x0附近,则函数值接近
- 证明:
- ->:ε2范围
- <-:构造x0≠an→x0,证明{f(an)}为基本列,嗅探出其极限,再将|f(x)−l|拆分为|f(x)−f(an)|−|f(an)−l|,取同时满足的条件即可
- #极限夹逼性

幂指函数极限

#有理函数极限公式

Note

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无穷大量、无穷小量

definition 无穷小

若limx→x0f(x)=0,则称x→x0时f(x)为无穷小,记为 $$f(x)=o(1)~(x\to x_0)$$
x→x0±, ±∞, ∞ 类似

definition 无穷大

∀M>0,∃δ>0, 当x∈U˚(x0,δ)时, 有|f(x)|>M, 则称x→x0时f(x)为无穷大,记为 $$\lim\limits_{x\to x_0}f(x)=\infty$$


Example

f(x)=121x−1在x=0处是否有极限
1x在指数上,指数趋于+∞时常需要分类讨论


无穷小与无穷大的比较

Definition

令limα(x)=0=limβ(x), limα(x)β(x)=l

  • l=0,高阶无穷小,记为α(x)=o(β(x))
  • l≠0,同阶无穷小
    • 特别地,l=1,等价无穷小,记为 α(x)∼β(x)

令limα(x)=∞=limβ(x), limα(x)β(x)=l

  • l=0,低阶无穷大,记为α(x)=o(β(x))
  • l≠0,同阶无穷大
    • 特别地,l=1,等价无穷大,记为 α(x)∼β(x)

常用结论

x→0{x∼sin⁡x∼tan⁡x∼ln⁡(1+x)∼ex−11−cos⁡x∼12x2x2±x3∼x2

x→0 次数高=作用小

x→∞{x2+x3∼x3ln⁡x=o(x)x=o(ex)

设a∼a′, b∼b′, 且limfβ′α′存在, 则

limfβα=limββ′⋅limfβ′α′⋅limα′α

原则:
极限式分子或分母的无穷小因式可以用等价无穷小替换,而和式不能

简证:

limfβα=lim(ββ′⋅fβ′α′⋅α′α)=limββ′⋅limfβ′α′⋅limα′α


Example

limx→01−cos⁡xx2

limx→0ln⁡(1+x)x=1

limx→0ex−1x=1

limx→0(cos⁡x)1x2

另:记号 O,o

Definition

∃ c>0, x∈U˚(x0):

|f(x)|≤c|g(x)|

记为:$$f(x)=O(g(x))\quad(x\to x_0)$$
特别地

  • f在U˚(x0)有界,即$$f(x)=O(1)\quad(x\to x_0)$$
  • fg有界,即$$f=O(g)$$
Corollary

o(◻):f◻∼0⇒o(1): f→0O(◻):f◻有界⇒O(1): f 有界


Example

limx→0(1+x)α−1x(α>0)
limx→01+xsin⁡x−cos⁡xx2
limx→0(cos⁡x+x2)1x2