当前位置: 首页 > news >正文

【数学分析笔记】第3章第1节 函数极限(6)

3. 函数极限与连续函数

3.1 函数极限

【例3.1.12】 f ( x ) = a n x n + a n − 1 x n − 1 + ⋯ + a k x k b m x m + b m − 1 x m − 1 + ⋯ + b j x j , b m , b j ≠ 0 , a n , a k ≠ 0 f(x)= \frac{a_{n} x^{n}+a_{n-1} x^{n-1}+\cdots+a_{k} x^{k}}{b_{m} x^{m}+b_{m-1} x^{m-1}+\cdots+b_{j} x^{j}},b_{m},b_{j}\ne 0,a_{n},a_{k}\ne 0 f(x)=bmxm+bm1xm1++bjxjanxn+an1xn1++akxk,bm,bj=0,an,ak=0,讨论极限 lim ⁡ x → ∞ f ( x ) \lim\limits_{x \rightarrow \infty}f(x) xlimf(x) lim ⁡ x → 0 f ( x ) \lim\limits_{x \rightarrow 0}f(x) x0limf(x).
【解】 x → ∞ x\to\infty x
(1)若 n = m n=m n=m lim ⁡ x → ∞ f ( x ) = lim ⁡ x → ∞ a n x n + a n − 1 x n − 1 + ⋯ + a k x k b m x m + b m − 1 x m − 1 + ⋯ + b j x j = lim ⁡ x → ∞ a n + a n − 1 x + ⋯ + a k x n − k b n + b n − 1 x + ⋯ + b j x n − j = a n b n ; \lim\limits_{x \rightarrow \infty}f(x)=\lim\limits_{x \rightarrow \infty} \frac{a_{n} x^{n}+a_{n-1} x^{n-1}+\cdots+a_{k} x^{k}}{b_{m} x^{m}+b_{m-1} x^{m-1}+\cdots+b_{j} x^{j}}=\lim\limits_{x \rightarrow \infty} \frac{a_{n}+\frac{a_{n-1}}{x}+\cdots+\frac{a_{k}}{x^{n-k}}}{b_{n}+\frac{b_{n-1}}{x}+\cdots+\frac{b_{j}}{x^{n-j}}}=\frac{a_{n}}{b_{n}} ; xlimf(x)=xlimbmxm+bm1xm1++bjxjanxn+an1xn1++akxk=xlimbn+xbn1++xnjbjan+xan1++xnkak=bnan;
(2)若 n > m n>m n>m lim ⁡ x → ∞ f ( x ) = lim ⁡ x → ∞ x n ( a n + a n − 1 1 x + ⋯ + a k 1 x n − k x m ( b m + b m − 1 1 x + ⋯ + b j 1 x m − j ) = lim ⁡ x → ∞ x n − m ( a n + a n − 1 1 x + ⋯ + a k 1 x n − k ( b m + b m − 1 1 x + ⋯ + b j 1 x m − j ) = ∞ \lim\limits_{x \rightarrow \infty}f(x)=\lim\limits_{x \rightarrow \infty} \frac{x^{n}(a_{n}+a_{n-1} \frac{1}{x}+\cdots+a_{k} \frac{1}{x^{n-k}}}{x^{m}(b_{m} +b_{m-1} \frac{1}{x}+\cdots+b_{j} \frac{1}{x^{m-j}})}=\lim\limits_{x \rightarrow \infty}x^{n-m} \frac{(a_{n}+a_{n-1} \frac{1}{x}+\cdots+a_{k} \frac{1}{x^{n-k}}}{(b_{m} +b_{m-1} \frac{1}{x}+\cdots+b_{j} \frac{1}{x^{m-j}})}=\infty xlimf(x)=xlimxm(bm+bm1x1++bjxmj1)xn(an+an1x1++akxnk1=xlimxnm(bm+bm1x1++bjxmj1)(an+an1x1++akxnk1=
(3)若 n < m n<m n<m lim ⁡ x → ∞ f ( x ) = lim ⁡ x → ∞ x n ( a n + a n − 1 1 x + ⋯ + a k 1 x n − k x m ( b m + b m − 1 1 x + ⋯ + b j 1 x m − j ) = lim ⁡ x → ∞ x n − m ( a n + a n − 1 1 x + ⋯ + a k 1 x n − k ( b m + b m − 1 1 x + ⋯ + b j 1 x m − j ) = lim ⁡ x → ∞ 1 x m − n ( a n + a n − 1 1 x + ⋯ + a k 1 x n − k ( b m + b m − 1 1 x + ⋯ + b j 1 x m − j ) = 0 \lim\limits_{x \rightarrow \infty}f(x)=\lim\limits_{x \rightarrow \infty} \frac{x^{n}(a_{n}+a_{n-1} \frac{1}{x}+\cdots+a_{k} \frac{1}{x^{n-k}}}{x^{m}(b_{m} +b_{m-1} \frac{1}{x}+\cdots+b_{j} \frac{1}{x^{m-j}})}=\lim\limits_{x \rightarrow \infty}x^{n-m} \frac{(a_{n}+a_{n-1} \frac{1}{x}+\cdots+a_{k} \frac{1}{x^{n-k}}}{(b_{m} +b_{m-1} \frac{1}{x}+\cdots+b_{j} \frac{1}{x^{m-j}})}=\lim\limits_{x \rightarrow \infty}\frac{1}{x^{m-n}} \frac{(a_{n}+a_{n-1} \frac{1}{x}+\cdots+a_{k} \frac{1}{x^{n-k}}}{(b_{m} +b_{m-1} \frac{1}{x}+\cdots+b_{j} \frac{1}{x^{m-j}})}=0 xlimf(x)=xlimxm(bm+bm1x1++bjxmj1)xn(an+an1x1++akxnk1=xlimxnm(bm+bm1x1++bjxmj1)(an+an1x1++akxnk1=xlimxmn1(bm+bm1x1++bjxmj1)(an+an1x1++akxnk1=0
x → 0 x\to 0 x0
(1)若 k = j k=j k=j f ( x ) = a n x n + a n − 1 x n − 1 + ⋯ + a k x k b m x m + b m − 1 x m − 1 + ⋯ + b j x j = x k ( a n x n − k + a n − 1 x n − k − 1 + ⋯ + a k ) x j ( b m x m − j + b m − 1 x m − j − 1 + ⋯ + b j ) = a n x n − k + a n − 1 x n − k − 1 + ⋯ + a k b m x m − j + b m − 1 x m − j − 1 + ⋯ + b j ⇒ lim ⁡ x → 0 f ( x ) = a k b j f(x)=\frac{a_{n} x^{n}+a_{n-1} x^{n-1}+\cdots+a_{k} x^{k}}{b_{m} x^{m}+b_{m-1} x^{m-1}+\cdots+b_{j} x^{j}}=\frac{x^{k}(a_{n} x^{n-k}+a_{n-1} x^{n-k-1}+\cdots+a_{k} )}{x^{j}(b_{m} x^{m-j}+b_{m-1} x^{m-j-1}+\cdots+b_{j} )}=\frac{a_{n} x^{n-k}+a_{n-1} x^{n-k-1}+\cdots+a_{k} }{b_{m} x^{m-j}+b_{m-1} x^{m-j-1}+\cdots+b_{j} }\Rightarrow\lim\limits_{x \rightarrow 0}f(x)=\frac{a^{k}}{b^{j}} f(x)=bmxm+bm1xm1++bjxjanxn+an1xn1++akxk=xj(bmxmj+bm1xmj1++bj)xk(anxnk+an1xnk1++ak)=bmxmj+bm1xmj1++bjanxnk+an1xnk1++akx0limf(x)=bjak
(2)若 k > j k>j k>j f ( x ) = a n x n + a n − 1 x n − 1 + ⋯ + a k x k b m x m + b m − 1 x m − 1 + ⋯ + b j x j = x k ( a n x n − k + a n − 1 x n − k − 1 + ⋯ + a k ) x j ( b m x m − j + b m − 1 x m − j − 1 + ⋯ + b j ) = x k − j ( a n x n − k + a n − 1 x n − k − 1 + ⋯ + a k ) ( b m x m − j + b m − 1 x m − j − 1 + ⋯ + b j ) ⇒ lim ⁡ x → 0 f ( x ) = 0 f(x)=\frac{a_{n} x^{n}+a_{n-1} x^{n-1}+\cdots+a_{k} x^{k}}{b_{m} x^{m}+b_{m-1} x^{m-1}+\cdots+b_{j} x^{j}}=\frac{x^{k}(a_{n} x^{n-k}+a_{n-1} x^{n-k-1}+\cdots+a_{k} )}{x^{j}(b_{m} x^{m-j}+b_{m-1} x^{m-j-1}+\cdots+b_{j} )}=x^{k-j}\frac{(a_{n} x^{n-k}+a_{n-1} x^{n-k-1}+\cdots+a_{k} )}{(b_{m} x^{m-j}+b_{m-1} x^{m-j-1}+\cdots+b_{j} )}\Rightarrow\lim\limits_{x \rightarrow 0}f(x)=0 f(x)=bmxm+bm1xm1++bjxjanxn+an1xn1++akxk=xj(bmxmj+bm1xmj1++bj)xk(anxnk+an1xnk1++ak)=xkj(bmxmj+bm1xmj1++bj)(anxnk+an1xnk1++ak)x0limf(x)=0
(3)若 k < j k<j k<j f ( x ) = a n x n + a n − 1 x n − 1 + ⋯ + a k x k b m x m + b m − 1 x m − 1 + ⋯ + b j x j = x k ( a n x n − k + a n − 1 x n − k − 1 + ⋯ + a k ) x j ( b m x m − j + b m − 1 x m − j − 1 + ⋯ + b j ) = 1 x j − k ( a n x n − k + a n − 1 x n − k − 1 + ⋯ + a k ) ( b m x m − j + b m − 1 x m − j − 1 + ⋯ + b j ) ⇒ lim ⁡ x → 0 f ( x ) = ∞ f(x)=\frac{a_{n} x^{n}+a_{n-1} x^{n-1}+\cdots+a_{k} x^{k}}{b_{m} x^{m}+b_{m-1} x^{m-1}+\cdots+b_{j} x^{j}}=\frac{x^{k}(a_{n} x^{n-k}+a_{n-1} x^{n-k-1}+\cdots+a_{k} )}{x^{j}(b_{m} x^{m-j}+b_{m-1} x^{m-j-1}+\cdots+b_{j} )}=\frac{1}{x^{j-k}}\frac{(a_{n} x^{n-k}+a_{n-1} x^{n-k-1}+\cdots+a_{k} )}{(b_{m} x^{m-j}+b_{m-1} x^{m-j-1}+\cdots+b_{j} )}\Rightarrow\lim\limits_{x \rightarrow 0}f(x)=\infty f(x)=bmxm+bm1xm1++bjxjanxn+an1xn1++akxk=xj(bmxmj+bm1xmj1++bj)xk(anxnk+an1xnk1++ak)=xjk1(bmxmj+bm1xmj1++bj)(anxnk+an1xnk1++ak)x0limf(x)=
综上所述:
L = lim ⁡ x → ∞ a n x n + a n − 1 x n − 1 + ⋯ + a k x k b m x m + b m − 1 x m − 1 + ⋯ + b j x j = { a n b n , n = m , 0 , n < m , ∞ , n > m ; l = lim ⁡ x → 0 a n x n + a n − 1 x n − 1 + ⋯ + a k x k b m x m + b m − 1 x m − 1 + ⋯ + b j x j = { a k b k , k = j , 0 , k > j , ∞ , k < j . \begin{array}{l} L=\lim\limits_{x \rightarrow \infty} \frac{a_{n} x^{n}+a_{n-1} x^{n-1}+\cdots+a_{k} x^{k}}{b_{m} x^{m}+b_{m-1} x^{m-1}+\cdots+b_{j} x^{j}}=\left\{\begin{array}{ll} \frac{a_{n}}{b_{n}}, & n=m, \\ 0, & n<m, \\ \infty, & n>m ; \end{array}\right. \\ l=\lim\limits_{x \rightarrow 0} \frac{a_{n} x^{n}+a_{n-1} x^{n-1}+\cdots+a_{k} x^{k}}{b_{m} x^{m}+b_{m-1} x^{m-1}+\cdots+b_{j} x^{j}}=\left\{\begin{array}{ll} \frac{a_{k}}{b_{k}}, & k=j, \\ 0, & k>j, \\ \infty, & k<j . \end{array}\right. \end{array} L=xlimbmxm+bm1xm1++bjxjanxn+an1xn1++akxk= bnan,0,,n=m,n<m,n>m;l=x0limbmxm+bm1xm1++bjxjanxn+an1xn1++akxk= bkak,0,,k=j,k>j,k<j.


【例3.1.13】证明 lim ⁡ x → ∞ ( 1 + 1 x ) x = e \lim\limits_{x \rightarrow \infty}\left(1+\frac{1}{x}\right)^{x}=\mathrm{e} xlim(1+x1)x=e.
【证】先证 lim ⁡ x → + ∞ ( 1 + 1 x ) x = e \lim\limits_{x \rightarrow+ \infty}\left(1+\frac{1}{x}\right)^{x}=\mathrm{e} x+lim(1+x1)x=e ∀ x ≥ 1 , [ x ] ≤ x < [ x ] + 1 \forall x\ge 1,[x]\le x <[x]+1 x1,[x]x<[x]+1
( 1 + 1 [ x ] + 1 ) [ x ] < ( 1 + 1 x ) x < ( 1 + 1 [ x ] ) [ x ] + 1 (1+\frac{1}{[x]+1})^{[x]}<\left(1+\frac{1}{x}\right)^{x}<(1+\frac{1}{[x]})^{[x]+1} (1+[x]+11)[x]<(1+x1)x<(1+[x]1)[x]+1
由于 [ x ] [x] [x]是取整函数,则 [ x ] [x] [x]相当于数列的 n n n
lim ⁡ n → ∞ ( 1 + 1 n + 1 ) n = lim ⁡ n → ∞ ( 1 + 1 n + 1 ) n + 1 ⋅ 1 1 + 1 n + 1 = e \lim\limits_{n \rightarrow \infty}\left(1+\frac{1}{n+1}\right)^{n}=\lim\limits_{n \rightarrow \infty}(1+\frac{1}{n+1})^{n+1}\cdot\frac{1}{1+\frac{1}{n+1}}=\mathrm{e} nlim(1+n+11)n=nlim(1+n+11)n+11+n+111=e
lim ⁡ n → ∞ ( 1 + 1 n ) n + 1 = lim ⁡ n → ∞ ( 1 + 1 n ) n ( 1 + 1 n ) = e \lim \limits_{n \rightarrow \infty}\left(1+\frac{1}{n}\right)^{n+1}=\lim \limits_{n \rightarrow \infty}\left(1+\frac{1}{n}\right)^{n}(1+\frac{1}{n})=\mathrm{e} nlim(1+n1)n+1=nlim(1+n1)n(1+n1)=e
由夹逼法可知 lim ⁡ x → + ∞ ( 1 + 1 x ) x = e \lim\limits_{x \rightarrow+ \infty}\left(1+\frac{1}{x}\right)^{x}=\mathrm{e} x+lim(1+x1)x=e
x → − ∞ x\to-\infty x,令 y = − x y=-x y=x,则 y → + ∞ y\to+\infty y+
lim ⁡ x → − ∞ ( 1 + 1 x ) x = lim ⁡ y → + ∞ ( 1 − 1 y ) − y = lim ⁡ y → + ∞ ( y − 1 y ) − y = lim ⁡ y → + ∞ ( y y − 1 ) y = lim ⁡ y → + ∞ ( 1 + 1 y − 1 ) y = lim ⁡ y → + ∞ ( 1 + 1 y − 1 ) y − 1 ( 1 + 1 y − 1 ) = e \lim\limits_{x \rightarrow- \infty}\left(1+\frac{1}{x}\right)^{x}=\lim\limits_{y \rightarrow+ \infty}\left(1-\frac{1}{y}\right)^{-y}=\lim\limits_{y \rightarrow+ \infty}\left(\frac{y-1}{y}\right)^{-y}=\lim\limits_{y \rightarrow+ \infty}(\frac{y}{y-1})^{y}=\lim\limits_{y \rightarrow+ \infty}(1+\frac{1}{y-1})^{y}=\lim\limits_{y \rightarrow+ \infty}(1+\frac{1}{y-1})^{y-1}(1+\frac{1}{y-1})=\mathrm{e} xlim(1+x1)x=y+lim(1y1)y=y+lim(yy1)y=y+lim(y1y)y=y+lim(1+y11)y=y+lim(1+y11)y1(1+y11)=e
综上所述 lim ⁡ x → ∞ ( 1 + 1 x ) x = e \lim\limits_{x \rightarrow \infty}\left(1+\frac{1}{x}\right)^{x}=\mathrm{e} xlim(1+x1)x=e
【注】本题还能得到这个结果: lim ⁡ x → ∞ ( 1 − 1 x ) x = 1 e \lim\limits_{x \rightarrow \infty}(1-\frac{1}{x})^{x}=\frac{1}{e} xlim(1x1)x=e1

3.1.5 函数极限的Cauchy(柯西)收敛原理

回忆数列极限的柯西收敛原理,数列 lim ⁡ n → ∞ x n \lim\limits_{n\to\infty}x_{n} nlimxn收敛 ⇔ , ∀ ε > 0 , ∃ N , ∀ n , m > N : ∣ x m − x n ∣ < ε \Leftrightarrow,\forall \varepsilon>0,\exists N,\forall n,m>N:|x_{m}-x_{n}|<\varepsilon ,ε>0,N,n,m>N:xmxn<ε
函数的柯西收敛原理(以 x → + ∞ x\to +\infty x+为例)
lim ⁡ x → + ∞ f ( x ) \lim\limits_{x\to +\infty}f(x) x+limf(x)存在且有限(收敛) ⇔ ∀ ε > 0 , ∃ X , ∀ x ′ , x ′ ′ > X : ∣ f ( x ′ ) − f ( x ′ ′ ) ∣ < ε \Leftrightarrow\forall\varepsilon>0,\exists X,\forall x',x''> X:|f(x')-f(x'')|<\varepsilon ε>0,X,x,x′′>X:f(x)f(x′′)<ε
【证】先证必要性,设 lim ⁡ x → + ∞ f ( x ) = A \lim\limits_{x\to +\infty}f(x)=A x+limf(x)=A,则 ∀ ε > 0 , ∃ X > 0 , ∀ x ′ , x ′ ′ > X : ∣ f ( x ′ ) − A ∣ < ε 2 , ∣ f ( x ′ ′ ) − A ∣ < ε 2 \forall \varepsilon>0,\exists X>0,\forall x',x''>X:|f(x')-A|<\frac{\varepsilon}{2},|f(x'')-A|<\frac{\varepsilon}{2} ε>0,X>0,x,x′′>X:f(x)A<2ε,f(x′′)A<2ε
所以 ∣ f ( x ′ ) − f ( x ′ ′ ) ∣ = ∣ f ( x ′ ) − A + A − f ( x ′ ′ ) ∣ ≤ ∣ f ( x ′ ) − A ∣ + ∣ A − f ( x ′ ′ ) ∣ = ∣ f ( x ′ ) − A ∣ + ∣ f ( x ′ ′ ) − A ∣ < ε 2 + ε 2 = ε |f(x')-f(x'')|=|f(x')-A+A-f(x'')|\le|f(x')-A|+|A-f(x'')|=|f(x')-A|+|f(x'')-A|<\frac{\varepsilon}{2}+\frac{\varepsilon}{2}=\varepsilon f(x)f(x′′)=f(x)A+Af(x′′)f(x)A+Af(x′′)=f(x)A+f(x′′)A<2ε+2ε=ε
再证充分性, ∀ ε > 0 , ∃ X > 0 , ∀ x ′ , x ′ ′ > X : ∣ f ( x ′ ) − f ( x ′ ′ ) ∣ < ε \forall\varepsilon>0,\exists X>0,\forall x',x''>X:|f(x')-f(x'')|<\varepsilon ε>0,X>0,x,x′′>X:f(x)f(x′′)<ε
任取 { x n } , lim ⁡ n → ∞ x n = + ∞ \{x_{n}\},\lim\limits_{n\to\infty}x_{n}=+\infty {xn},nlimxn=+,则对上述 X > 0 , ∃ N , ∀ m , n > N : x n > X , x m > X X>0, \exists N, \forall m,n>N: x_{n}>X,x_{m}>X X>0,N,m,n>N:xn>Xxm>X
则有 ∣ f ( x n ) − f ( x m ) ∣ < ε |f(x_{n})-f(x_{m})|<\varepsilon f(xn)f(xm)<ε
{ f ( x n ) } \{f(x_{n})\} {f(xn)}是基本数列,必定收敛
由对应的Heine(海涅)定理(任取的 { x n } \{x_{n}\} {xn})可知, lim ⁡ x → + ∞ f ( x ) \lim\limits_{x\to +\infty}f(x) x+limf(x)存在且有限。
今后,在建立反常积分的收敛性判别法则等方面,函数极限的Cauchy收敛原理将发挥重要的作用。

http://www.lryc.cn/news/433088.html

相关文章:

  • 程序员如何写笔记?
  • Linux网络——Socket编程函数
  • HarmonyOS 是如何实现一次开发多端部署 -- HarmonyOS自学1
  • 嵌入式硬件-ARM处理器架构,CPU,SOC片上系统处理器
  • 《JavaEE进阶》----12.<SpringIOCDI【扫描路径+DI详解+经典面试题+总结】>
  • Selenium 自动化测试:常用函数与实例代码
  • python网络爬虫(五)——爬取天气预报
  • 四.海量数据实时分析-Doris数据导入导出
  • 一. 从Hive开始
  • Linux下的PWM驱动
  • 日语输入法平假名和片假名切换
  • Oracle向量搜索及其应用场景
  • 【排序算法】六、快速排序补充:三指针+随机数法
  • PyTorch torch.cdist函数介绍及示例代码
  • CTK框架(四): 插件编写
  • 深入理解C代码中的条件编译
  • Ubuntu16.04操作系统-内核优化
  • Qt/C++编写的Onvif调试助手调试神器工具/支持云台控制/预置位设置等/有手机版本
  • 【原创】java+swing+mysql密码管理器系统设计与实现
  • JavaEE-HTTPHTTPS
  • iLogtail 开源两周年:社区使用调查报告
  • Ubuntu 比较两个文件夹
  • 两数之和--力扣1
  • vue原理分析(三)new()创建Vue实例
  • Spring MVC: 构建Web应用的强大框架
  • 网络学习-eNSP配置NAT
  • 动态规划-最长回文子串
  • 海康威视 嵌入式 面经 海康威视嵌入式软件 嵌入式硬件总结面试经验 面试题目汇总
  • 使用图论技巧——有遍数限制的最短路
  • flume 使用 exec 采集容器日志,转储磁盘