微积分 学习笔记

本文最后更新于 2025年12月27日 晚上

极限与导数

极限

假设当 xx 在 aa 附近时,函数 f(x)f(x) 有定义.

符号 lim⁡x→af(x)=L\lim\limits_{x\to a} f(x)=L.读作“当 xx 趋于 aa 时,函数 f(x)f(x) 的极限等于 LL”.

直观定义:可以通过让 xx 足够接近 aa 但不等于 aa,使得 f(x)f(x) 任意地接近 LL.

单侧极限:左极限 lim⁡x→a−f(x)=L\lim\limits_{x\to a^-} f(x)=L 与右极限 lim⁡x→a+f(x)=L\lim\limits_{x\to a^+} f(x)=L.

极限不存在:当 xx 趋于 aa 时,函数值不趋于一个固定的数值(如 lim⁡x→0sin⁡πx\lim\limits_{x\to 0}\sin\frac{\pi}{x})或函数值的绝对值无穷大,则在 x=ax=a 处极限不存在.

求极限

利用运算法则

假设 cc 是一个常数,n∈N∗n\in\mathbb{N}^{*} 且极限 lim⁡x→af(x)\lim\limits_{x\to a}f(x) 和 lim⁡x→ag(x)\lim\limits_{x\to a}g(x) 都存在,则:

  1. lim⁡x→a[f(x)±g(x)]=lim⁡x→af(x)±lim⁡x→ag(x)\lim\limits_{x\to a}\left[f(x)\pm g(x)\right]=\lim\limits_{x\to a}f(x)\pm \lim\limits_{x\to a}g(x);
  2. lim⁡x→a[cf(x)]=clim⁡x→af(x)\lim\limits_{x\to a}\left[cf(x)\right]=c\lim\limits_{x\to a}f(x);
  3. lim⁡x→a[f(x)g(x)]=lim⁡x→af(x)lim⁡x→ag(x)\lim\limits_{x\to a}\left[f(x)g(x)\right]=\lim\limits_{x\to a}f(x)\lim\limits_{x\to a}g(x);
  4. lim⁡x→a[f(x)g(x)]=lim⁡x→af(x)lim⁡x→ag(x)\lim\limits_{x\to a}\left[\dfrac{f(x)}{g(x)}\right]=\dfrac{\lim\limits_{x\to a}f(x)}{\lim\limits_{x\to a}g(x)},其中 lim⁡x→ag(x)≠0\lim\limits_{x\to a}g(x)\neq 0;
  5. lim⁡x→a[f(x)]n=[lim⁡x→af(x)]n\lim\limits_{x\to a}\left[f(x)\right]^n=\left[\lim\limits_{x\to a}f(x)\right]^n;
  6. lim⁡x→af(x)n=lim⁡x→af(x)n\lim\limits_{x\to a}\sqrt[n]{f(x)}=\sqrt[n]{\lim\limits_{x\to a}f(x)};
  7. lim⁡x→ac=c\lim\limits_{x\to a}c=c.

直接替换性质:若 ff 是一个多项式或有理函数,aa 在 ff 的定义域内,那么 lim⁡x→af(x)=f(a)\lim\limits_{x\to a}f(x)=f(a).

例:计算 lim⁡x→0x2+9−3x2\lim\limits_{x\to 0}\dfrac{\sqrt{x^2+9}-3}{x^2}.

考虑分子有理化:

lim⁡x→0x2+9−3x2=lim⁡x→0x2+9−9x2(x2+9+3)=lim⁡x→01x2+9+3=lim⁡x→01lim⁡x→0x2+9+lim⁡x→03=16\begin{aligned} \lim\limits_{x\to 0}\dfrac{\sqrt{x^2+9}-3}{x^2}&=\lim\limits_{x\to 0}\dfrac{x^2+9-9}{x^2(\sqrt{x^2+9}+3)}\\ &=\lim\limits_{x\to 0}\dfrac{1}{\sqrt{x^2+9}+3}\\ &=\dfrac{\lim\limits_{x\to 0}1}{\lim\limits_{x\to 0}\sqrt{x^2+9}+\lim\limits_{x\to 0}3}\\ &=\dfrac{1}{6} \end{aligned}

利用单侧极限

lim⁡x→af(x)=L\lim\limits_{x\to a}f(x)=L 当且仅当 lim⁡x→a−f(x)=L=lim⁡x→a+f(x)\lim\limits_{x\to a^-}f(x)=L=\lim\limits_{x\to a^+}f(x).

例:计算 lim⁡x→0∣x∣\lim\limits_{x\to 0}\vert x\vert.

我们知道

lim⁡x→0−∣x∣=lim⁡x→0−(−x)=0lim⁡x→0+∣x∣=lim⁡x→0+(x)=0\lim\limits_{x\to 0^-}\vert x\vert=\lim\limits_{x\to 0^-}(-x)=0\\ \lim\limits_{x\to 0^+}\vert x\vert=\lim\limits_{x\to 0^+}(x)=0\\

因此,lim⁡x→0∣x∣=0\lim\limits_{x\to 0}\vert x\vert=0.

夹逼定理

如果当 xx 在 aa 附近时(除了在 aa 处)有 f(x)≤g(x)≤h(x)f(x)\leq g(x)\leq h(x),并且 lim⁡x→af(x)=lim⁡x→ah(x)=L\lim\limits_{x\to a}f(x)=\lim\limits_{x\to a}h(x)=L,那么 lim⁡x→ag(x)=L\lim\limits_{x\to a}g(x)=L.

例:计算 lim⁡x→0x2sin⁡1x\lim\limits_{x\to 0}x^2\sin\dfrac{1}{x}.

首先,不能使用运算法则,因为 lim⁡x→0sin⁡1x\lim\limits_{x\to 0}\sin\frac{1}{x} 不存在.

可以注意到,−1≤sin⁡1x≤1-1\leq \sin\frac{1}{x}\leq 1.

两边同乘 x2x^2,得到 −x2≤x2sin⁡1x≤x2-x^2\leq x^2\sin\frac{1}{x}\leq x^2.于是,我们构造出来了两个函数,便可以使用夹逼定理,求得极限为 00.

严格定义

设 ff 为一个定义在某个包含 aa 的开区间上的函数(仅在 aa 处可能没有定义).如果对于任意 ε>0\varepsilon>0,都存在 δ>0\delta>0,使得当 0<∣x−a∣<δ0<\vert x-a\vert<\delta 时有 ∣f(x)−L∣<ε\vert f(x)-L\vert<\varepsilon,那么我们就说当 xx 趋于 aa 时 f(x)f(x) 的极限是 LL,记作

lim⁡x→af(x)=L\lim\limits_{x\to a}f(x)=L

可以表述为:lim⁡x→af(x)=L\lim\limits_{x\to a}f(x)=L 表示可以通过将 xx 与 aa 之间的距离变得足够小(但不为 00),来使 f(x)f(x)与 LL 之间的距离变得任意小.这也叫作 ε−δ\varepsilon-\delta 语言.

使用定义证明极限的逻辑是,对于一个任意的 ε\varepsilon,找到一个仅依赖于 ε\varepsilon 的 δ\delta 使得不等式成立.

例:证明 lim⁡x→3x2=9\lim\limits_{x\to 3}x^2=9.

采用先猜后证,首先猜出 δ\delta 的一个值.设 ε\varepsilon 是一个给定的正数,我们要找到一个 δ>0\delta>0,使得当 0<∣x−3∣<δ0<\vert x-3\vert<\delta 时有 ∣x2−9∣<ε\vert x^2-9\vert<\varepsilon.

上式可以转化为当 0<∣x−3∣<δ0<\vert x-3\vert<\delta 时有 ∣x+3∣∣x−3∣<ε\vert x+3\vert\vert x-3\vert<\varepsilon,即 ∣x−3∣<ε∣x+3∣\vert x-3\vert<\dfrac{\varepsilon}{\vert x+3\vert}.但是如果我们直接令 δ=ε∣x+3∣\delta=\dfrac{\varepsilon}{\vert x+3\vert} 是错误的,因为 δ\delta 不能取决于 xx.

所以问题转化为找到 ∣x+3∣\vert x+3\vert 的上界,将其换为常数.为了做到这一点,我们通常预先限制 xx 在 33 的某个邻域内,不妨假设 δ≤1\delta\leq 1(此处 11 可以选择其他使得原式有意义的任意正实数)即 ∣x−3∣<1⇒2<x<4⇒5<x+3<7\vert x-3\vert<1\Rightarrow 2<x<4\Rightarrow 5<x+3<7.因此,∣x+3∣<7\vert x+3\vert<7.

回到最初的表达式 ∣x2−9∣=∣x−3∣∣x+3∣\vert x^2-9\vert=\vert x-3\vert\vert x+3\vert,我们知道 ∣x+3∣<7\vert x+3\vert<7,所以 ∣x2−9∣<7⋅∣x−3∣\vert x^2-9\vert<7\cdot\vert x-3\vert,因此为了让 ∣x2−9∣<ε\vert x^2-9\vert<\varepsilon,我们只需要让 7⋅∣x−3∣<ε7\cdot\vert x-3\vert<\varepsilon 即 ∣x−3∣<ε7\vert x-3\vert<\dfrac{\varepsilon}{7}.

为了保证不等式成立,令 δ\delta 为 11 和 ε7\dfrac{\varepsilon}{7} 中的较小者,用符号表示为 δ=min⁡{1,ε7}\delta=\min\left\{1,\dfrac{\varepsilon}{7}\right\}.

正式证明:

对于任意给定的 ε>0\varepsilon>0,令 δ=min⁡{1,ε7}\delta=\min\left\{1,\dfrac{\varepsilon}{7}\right\}.如果 0<∣x−3∣<δ0<\vert x-3\vert<\delta,那么有 ∣x−3∣<1⇒∣x+3∣<7\vert x-3\vert<1\Rightarrow\vert x+3\vert<7,再利用 ∣x−3∣<ε7\vert x-3\vert<\dfrac{\varepsilon}{7},可得

∣x2−9∣=∣x−3∣∣x+3∣<ε7⋅7=ε\vert x^2-9\vert=\vert x-3\vert\vert x+3\vert<\frac{\varepsilon}{7}\cdot 7=\varepsilon

这表明 lim⁡x→3x2=9\lim\limits_{x\to 3}x^2=9.

左极限的严格定义:如果对于任意 ε>0\varepsilon>0,都存在 δ>0\delta>0,使得当 a−δ<x<aa-\delta<x<a 时有 ∣f(x)−L∣<ε\vert f(x)-L\vert<\varepsilon,那么 lim⁡x→a−f(x)=L\lim\limits_{x\to a^-}f(x)=L.

右极限的严格定义:如果对于任意 ε>0\varepsilon>0,都存在 δ>0\delta>0,使得当 a<x<a+δa<x<a+\delta 时有 ∣f(x)−L∣<ε\vert f(x)-L\vert<\varepsilon,那么 lim⁡x→a+f(x)=L\lim\limits_{x\to a^+}f(x)=L.

无穷极限的严格定义:设 ff 为一个定义在某个包含 aa 的开区间上的函数(仅在 aa 处可能没有定义),那么 lim⁡x→af(x)=+∞\lim\limits_{x\to a}f(x)=+\infin 表示对于每个正数 MM,都存在一个正数 δ\delta,使得当 0<∣x−a∣<δ0<\vert x-a\vert<\delta 时有 f(x)>Mf(x)>M.

连续性

如果 lim⁡x→af(x)=f(a)\lim\limits_{x\to a}f(x)=f(a),则称函数 ff 在 aa 处连续。注意这隐含了 f(a)f(a) 有定义且 lim⁡x→af(x)\lim\limits_{x\to a}f(x) 存在。

间断分为第一类间断点和第二类间断点,除第一类间断点外的间断叫做第二类间断点,第一类间断点有:

  1. 可去间断:间断两侧函数的极限存在且相等;
  2. 跳跃间断:连续点两侧函数的极限存在,但不相等。

第二类间断点包含无穷间断和震荡间断。

单侧连续:如果 lim⁡x→a+f(x)=f(a)\lim\limits_{x\to a^+}f(x)=f(a),则称函数 ff 在 aa 处右连续。如果 lim⁡x→a−f(x)=f(a)\lim\limits_{x\to a^-}f(x)=f(a),则称函数 ff 在 aa 处左连续。

函数 ff 在一个区间上连续,如果它在这个区间的每一点处都连续。(如果 ff 仅在区间端点的一侧有定义,那么在端点处连续表示右连续或左连续。)

如果函数 ff 和 gg 在 aa 处连续,cc 是一个常数,那么 f+gf+g,f−gf-g,cfcf,fgfg,fg,g(a)≠0\dfrac{f}{g},g(a)\neq 0 都是连续的。

知道哪些函数是连续的能可以帮助我们快速写出一些极限值。多项式函数、有理函数(f(x)=P(x)Q(x)f(x)=\frac{P(x)}{Q(x)},PP 和 QQ 是多项式)、平方根函数、三角函数、指数函数都是在定义域上连续。根据几何知识,也容易得到任何连续的一对一函数的反函数是连续的。

对于复合函数,如果 ff 在 bb 处连续且 lim⁡x→ag(x)=b\lim\limits_{x\to a}g(x)=b,那么有 lim⁡x→af(g(x))=f(lim⁡x→ag(x))\lim\limits_{x\to a}f(g(x))=f\left(\lim\limits_{x\to a}g(x)\right)。那么我们还可以得到,如果 gg 在 aa 处连续且 ff 在 g(a)g(a) 处连续,那么 f∘gf\circ g 在 aa 处连续,也即“连续函数的连续函数还是连续函数”。

介值定理:若 ff 在区间 [a,b][a,b] 上连续,NN 是 f(a)f(a) 和 f(b)f(b) 之间的任意一个数且 f(a)≠f(b)f(a)\neq f(b),那么在 (a,b)(a,b) 内存在一个数 cc ,使得 f(c)=Nf(c)=N。介值定理的一个应用是寻找方程的根。

例 1:证明 f(x)=1−1−x2f(x)=1-\sqrt{1-x^2} 在区间 [−1,1][-1,1] 上连续。

令 a∈(−1,1)a\in(-1,1)。

lim⁡x→af(x)=lim⁡x→a(1−1−x2)=1−lim⁡x→a1−x2=1−lim⁡x→a(1−x2)=1−1−a2=f(a)\begin{aligned} \lim\limits_{x\to a}f(x)&=\lim\limits_{x\to a}\left(1-\sqrt{1-x^2}\right)\\ &=1-\lim\limits_{x\to a}\sqrt{1-x^2}\\ &=1-\sqrt{\lim\limits_{x\to a}(1-x^2)}\\ &=1-\sqrt{1-a^2}=f(a) \end{aligned}

同时,还可以算出 lim⁡x→−1+f(x)=1=f(−1)\lim\limits_{x\to -1^+}f(x)=1=f(-1) 和 lim⁡x→1−f(x)=1=f(1)\lim\limits_{x\to 1^-}f(x)=1=f(1),原命题得证。

无穷远处的极限与水平渐近线


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作者
Makerlife
发布于
2025年10月2日
更新于
2025年12月27日
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