Skip to content

第二节 极限

Table of Contents

I. 数列的极限

数列可以认为是一个定义域为正整数的函数,即:an=f(n),nN+a_n = f(n), n \in \mathbb{N}_+

{xn}\{ x_n \}为一数列,如果存在常数aa,对于任意给定的正数ϵ\epsilon,总存在正整数NN,使得当n>Nn \gt N时,以下不等式恒成立:

则称常数aa为数列{xn}\{ x_n \}的极限,或称数列{xn}\{ x_n \}收敛于aa,记为:

或:

也可描述为:

Tip

收敛数列的性质:

  1. 如果数列{xn}\{ x_n \}收敛,则其极限唯一(极限的唯一性)
  2. 如果数列{xn}\{ x_n \}收敛,则其必定有界(收敛数列的有界性)
  3. 如果limnxn=a\lim_{n \to \infty} x_n = a,且a>0a \gt 0(或a<0a \lt 0),则存在正整数N>0N \gt 0,当n>Nn \gt N时,都有xn>0x_n \gt 0或(xn<0x_n \lt 0
  4. 如果数列{xn}\{ x_n \}收敛于aa,则其任一子数列都收敛于aa
  • 例1:若limnun=a\lim_{n \to \infty} u_n = a,证明limnun=a\lim_{n \to \infty} |u_n| = |a|,并举例说明:如果数列{xn}\{ \left| x_n \right| \}有极限,数列{xn}\{ x_n \}未必有极限。

    Answer

    因为unu_n的极限为aa,则对于任意给定的正数ϵ>0\epsilon \gt 0,总存在正整数NN,使得当n>Nn \gt N时,有:

    又因为:

    则对于任意的unu_n和极限aa,有:

    那么,既然存在xna<ϵ|x_n - a| \lt \epsilon,则必然也存在:

    由此可知,对于任意给定的正数ϵ>0\epsilon \gt 0,总存在正整数NN,使得当n>Nn \gt N时,有:

    即:

    反例:

    显然可见{xn}\{ x_n \}的值在±1\pm1之间不断交替,因此其并非收敛;而{xn}\{ |x_n| \}的值却总是为11,因此其收敛于11

II. 函数的极限

函数极限与数列极限的关系:如果极限limxx0f(x)\lim_{x \to x_0} f(x)存在,{xn}\{ x_n \}为函数f(x)f(x)的定义域内任一收敛于x0x_0的数列,且满足xnx0(nN+)x_n \neq x_0 \, (n \in \mathbb{N}_+),那么相应的函数值数列{f(xn)}\{ f(x_n) \}必收敛,且limnf(xn)=limxx0f(x)\lim_{n \to \infty} f(x_n) = \lim_{x \to x_0} f(x)

2.1 自变量趋向于无穷时函数的极限

设函数f(x)f(x)x>b(b>0)|x| \gt b \, (b \gt 0)上有定义,如果存在常数AA,对ϵ>0\forall \epsilon \gt 0,存在正数X>bX \gt b,使得当x>X|x| \gt X时,有f(x)A<ϵ|f(x) - A| \lt \epsilon,则称函数f(x)f(x)xx \to \infty时以AA为极限,记为:

也可简单表达为:

Tip

直观解释:

这个定义表明,当xx趋向于无穷大时,函数f(x)f(x)的值会越来越接近于AA,并且可以在任意给定的误差范围ϵ\epsilon内稳定下来。这意味着无论给定的ϵ\epsilon有多小,只要xx足够大,函数值f(x)f(x)与极限AA之间的差就可以小于ϵ\epsilon

  • 例2:设f(x)=exf(x) = e^x,试判断limxf(x)\lim_{x \to \infty} f(x)是否存在?

    Answer

    小结:对于指数函数的极限,当指数部分趋近于\infty时,一定要分开讨论

  • 例3:用定义法证明limxsinxx=0\lim_{x \to \infty} \dfrac{\sin x}{x} = 0.

    Answer

    考虑函数f(x)=sinxxf(x) = \dfrac{\sin x}{x},为了证明其极限为00,对于任意ϵ>0\epsilon \gt 0,需要找到正数X>0X \gt 0,使得当x>Xx \gt X时,有:

    对于绝对值sinxx|\dfrac{\sin x}{x}|,因为sinx1|\sin x| \leq 1,则有:

    对于函数1x\dfrac{1}{|x|},当xx \to \infty时,函数值会无限趋近于00,因此存在:

    解不等式可得:

    因此,对于任意给定的ϵ>0\epsilon \gt 0,取X=1ϵX = \dfrac{1}{\epsilon},当x>Xx \gt X时,有:

    由此可证:

2.2 自变量趋向于有限值时函数的极限

设函数f(x)f(x)在点x0x_0的某去心邻域内有定义(于点x0x_0可以没有定义),如果存在常数AA,对于ϵ>0\forall \epsilon \gt 0δ>0\exists \delta \gt 0,使得当0<xx0<δ0 \lt |x - x_0| \lt \delta时,有f(x)A<ϵ|f(x) - A| \lt \epsilon,则称函数f(x)f(x)xx0x \to x_0时以AA为极限,记为:

也可简单表达为:

Tip

2.3 单侧极限

设函数f(x)f(x)在点x0x_0的左侧邻域内有定义(于点x0x_0可以没有定义),AA为一个常数,如果对于任意ϵ>0\epsilon \gt 0,存在δ>0\delta \gt 0,使得当δ<xx0<0-\delta \lt x - x_0 \lt 0时,有f(x)A<ϵ|f(x) - A| \lt \epsilon,则称函数f(x)f(x)xx0x \to x_0^-时的左极限,记为limxx0f(x)=A\lim_{x \to x_0^-} f(x) = A

设函数f(x)f(x)在点x0x_0的右侧邻域内有定义(于点x0x_0可以没有定义),AA为一个常数,如果对于任意ϵ>0\epsilon \gt 0,存在δ>0\delta \gt 0,使得当0<xx0<δ0 \lt x - x_0 \lt \delta时,有f(x)A<ϵ|f(x) - A| \lt \epsilon,则称函数f(x)f(x)xx0+x \to x_0^+时的右极限,记为limxx0+f(x)=A\lim_{x \to x_0^+} f(x) = A

函数f(x)f(x)xx0x \to x_0时的极限存在的充分必要条件是左、右极限存在且相等,即:

Tip

左极限的定义描述的是当自变量从左往右接近x0x_0时函数值也接近于常数AA;右极限的定义描述的是当自变量从右往左接近x0x_0时函数值也接近于常数AA;而函数在某一点处的极限存在就必须满足以上两个条件,且两侧的极限值相等

作用:常用于判断特殊函数在特殊点的极限是否存在,例如分段函数在某点的左右两侧表达式不同,判断此点的极限是否存在时就需要计算其左右极限并判断是否相等

  • 例4:求下列极限:

    • (1)

      Answer

      首先计算x0x \to 0^-时的极限:

      然后计算x0+x \to 0^+时的极限:

      可见其左右极限存在但不相等,因此这个极限不存在!

    • (2)

      Answer

      首先计算x0x \to 0^-时的极限:

      然后计算x0+x \to 0^+时的极限:

      可见其左右极限存在且相等,因此这个极限存在且值为π2\dfrac{\pi}{2}

III. 极限的性质

  1. 唯一性:若limf(x)\lim f(x)存在,则其极限值唯一

  2. (局部)有界性:若limf(x)=A\lim f(x) = A,则存在一个去心邻域,在此去心邻域内f(x)f(x)有界

  3. (局部)保号性:若limf(x)=A>B\lim f(x) = A \gt B,则存在一个去心邻域,在此去心邻域内f(x)>Bf(x) \gt B

推论:若存在一个去心邻域,在此去心邻域内f(x)Bf(x) \geq B,且limf(x)=A\lim f(x) = A,则ABA \geq B

  • 例5:设limnan=a\lim_{n \to \infty} a_n = a,且a0a \neq 0,则当nn充分大时有_____.

    • (A)an>a2|a_n| \gt \dfrac{|a|}{2}
    • (B)an<a2|a_n| \lt \dfrac{|a|}{2}
    • (C)an>a1na_n \gt a - \dfrac{1}{n}
    • (D)an<a+1na_n \lt a + \dfrac{1}{n}
    Answer

    由于已知limnan=a\lim_{n \to \infty} a_n = a,则当对于给定的ϵ\epsilon取值为a2\dfrac{|a|}{2}时有:

    由此便可推得:

    所以选项A成立

IV. 极限的运算法则

4.1 极限的四则运算法则

Tip

  • 注意:

    1. 和与积的运算法则只对有限项成立,对于无限项不成立!

    2. limxa[f(x)±g(x)]\lim_{x \to a} \left[ f(x) \pm g(x) \right]存在,则limxaf(x)\lim_{x \to a} f(x)limxag(x)\lim_{x \to a} g(x)同时存在或同时不存在

    3. limxaf(x)=A0\lim_{x \to a} f(x) = A \neq 0,则:

    4. limxaf(x)g(x)=A\lim_{x \to a} \dfrac{f(x)}{g(x)} = A,则:

  • 推论:

    1. limxaf(x)\lim_{x \to a} f(x)存在,且cc为常数,则limxa[cf(x)]=climxaf(x)\lim_{x \to a} \left[ c f(x) \right] = c \lim_{x \to a} f(x)
    2. limxaf(x)\lim_{x \to a} f(x)存在,且nn为常数,则limxa[f(x)]n=[limxaf(x)]n\lim_{x \to a} \left[ f(x) \right]^n = \left[ \lim_{x \to a} f(x) \right]^n
  • 例6:设{an}\{ a_n \}{bn}\{ b_n \}{cn}\{ c_n \}均为非负数列,且limnan=0\lim_{n \to \infty} a_n = 0limnbn=1\lim_{n \to \infty} b_n = 1limncn=\lim_{n \to \infty} c_n = \infty,则必有_____.

    • (A)an<bn,nN+a_n \lt b_n, n \in \mathbb{N}_+
    • (B)bn<cn,nN+b_n \lt c_n, n \in \mathbb{N}_+
    • (C)limnancn\lim_{n \to \infty} a_n c_n不存在
    • (D)limnbncn\lim_{n \to \infty} b_n c_n不存在
    Answer
    • (A)

      由题可知,{an}\{ a_n \}是一个从非零值开始趋于00的数列,而{bn}\{ b_n \}是一个从非零值开始趋于11的数列,因此无法保证它们从头到尾都能满足an<bna_n \lt b_n,反例:

      可见当n=1n = 1an=bn=2a_n = b_n = 2

    • (B)

      由题可知,{bn}\{ b_n \}是一个从非零值开始趋于11的数列,而{cn}\{ c_n \}是一个从非零值开始趋于\infty的数列,因此无法保证它们从头到尾都能满足bn<cnb_n \lt c_n,反例:

      可见当n=1n = 1bn=cn=2b_n = c_n = 2

    • (C)

      由极限的运算法则可得:

      因此这个极限是一个未定式,相乘的两方一方趋于无穷大、一方趋于无穷小,这意味着这个极限值取决于两方的变化速度

      当两方变化速度相同时结果是一个常数:

      当趋于无穷大的速度远大于趋于无穷小的速度时结果是无穷大:

      当趋于无穷小的速度远大于趋于无穷大的速度时结果是无穷小:

      因此无法保证limnancn\lim_{n \to \infty} a_n c_n的值一定不存在

    • (D)

      由极限的运算法则可得:

      因此limnbncn\lim_{n \to \infty} b_n c_n的值一定为\infty,即不存在

  • 例7:求下列极限。

    • (1)

      Answer

      通过因式分解可得:

    • (2)

      Answer

      对分子分母同除以x3x^3可得:(抓大头)

      然后将x=x = \infty代入可得:

    • (3)

      Answer

      首先通过乘以共轭的方式简化这个极限:

      化简可得:

      将分子分母同除以xx可得:

      然后将x=+x = +\infty代入可得:

    • (4)

      Answer

      对分子分母同时除以xx可得:

      将带根式的分式项转换为根式项后得:(因为原项为负值所以转换后需要带上负号)

      对每一项抓大头后可得:

    • (5)

      Answer

      对于分子:当x0+x \to 0^+时,1x\frac{1}{x}趋向于++\infty,所以e1xe^{\frac{1}{x}}趋向于++\infty,常数项11可忽略,则分子近似为e1x-e^{\frac{1}{x}}

      对于分母:e1xe^{\frac{1}{x}}趋向于++\infty的速度远大于xx趋向于00的速度,因此项xx可忽略,则分母近似为e1xe^{\frac{1}{x}}

      所以,最后计算这个极限可得:

4.2 复合函数极限的运算法则

limxag(x)=u0\lim_{x \to a} g(x) = u_0g(x)u0g(x) \neq u_0limuu0f(u)=A\lim_{u \to u_0} f(u) = A,则limxaf[g(x)]=limuu0f(u)=A\lim_{x \to a} f\left[ g(x) \right] = \lim_{u \to u_0} f(u) = A

  • 例8:已知limx0f(3x)x=2\lim_{x \to 0} \dfrac{f(3x)}{x} = 2,求limx0xf(2x)\lim_{x \to 0} \dfrac{x}{f(2x)}.

    Answer

    思路:通过换元求出f(u)/uf(u) / u的极限值

    已知:

    u=3xu = 3x,则:

    由此可得:

    接下来,设u=2xu = 2x,则:

  • 例9:设函数:

    limx0g[f(x)]\lim_{x \to 0} g\left[ f(x) \right].

    Answer

    首先计算内层函数在x0x \to 0时的极限:

    由此可得:(设u=f(x)u = f(x)

V. 极限存在的两个准则

5.1 夹逼准则

II为包含某点aa的区间,且函数为f(x)f(x)g(x)g(x)h(x)h(x)定义在II上且可能不包含点aa的函数。若对于所有属于II而不等于aaxx,有:

  1. g(x)f(x)h(x)g(x) \leq f(x) \leq h(x)
  2. limxag(x)=limxah(x)=L\lim_{x \to a} g(x) = \lim_{x \to a} h(x) = L

则函数f(x)f(x)的极限存在,且也为LL,而函数g(x)g(x)h(x)h(x)分别称为f(x)f(x)的下界与上界

Tip

aaII的端点,则上述的极限为左极限或右极限。对于xx \to \infty,此定理依旧可用

  • 例10:求极限limna1n+a2n+...+amnn\lim_{n \to \infty} \sqrt[n]{a_1^n + a_2^n + ... + a_m^n},其中ai>0(i{1,2,...,m})a_i \gt 0 \, (i \in\{ 1, 2, ..., m \}).

    Answer

    设一个最大值MM

    则:

    且因为至少有一个ai=Ma_i = M,则:

    所以存在不等式:

    求上界的极限可得:

    求下界的极限可得:

    则根据夹逼准则可得:

  • 例11:求极限limn[1n2+1+1n2+2+...+1n2+n]\lim_{n \to \infty} \left[ \dfrac{1}{\sqrt{n^2 + 1}} + \dfrac{1}{\sqrt{n^2 + 2}} + ... + \dfrac{1}{\sqrt{n^2 + n}} \right].

    Answer

    设数列ana_n

    首先找出ana_n中最大的一项:

    其次找出ana_n中最小的一项:

    又因为ana_n这个多项式共有nn项,因此必然存在不等式:

    求上界的极限可得:

    求下界的极限可得:

    则根据夹逼准则可得:

5.2 单调有界准则

单调递增(或递减)且有上界(或下界)的数列必有极限,即:

  1. a1a2a3...anMa_1 \leq a_2 \leq a_3 \leq ... \leq a_n \leq M,则limnan=a\lim_{n \to \infty} a_n = a存在,且aa{an}\{ a_n \}的一个上界
  2. a1a2a3...anma_1 \leq a_2 \leq a_3 \leq ... \leq a_n \leq m,则limnan=a\lim_{n \to \infty} a_n = a存在,且aa{an}\{ a_n \}的一个下界

Tip

  1. 单调有界准则只能证明{an}\{ a_n \}的极限存在,但极限值未必能够求出
  2. {an}()\{ a_n \} \uparrow (\downarrow)且无上(下)界,则{an}\{ a_n \}的极限为++\infty(或-\infty
  3. 证明单调性的方法:
    • 比较an+1ana_{n + 1} - a_n00的大小
    • 比较an+1an\frac{a_{n + 1}}{a_n}11的大小
    • 数学归纳法
    • 重要不等式:a2+b22aba^2 + b^2 \geq 2|ab|
    • 判断an+1ana_{n + 1} - a_nanan1a_n - a_{n - 1}是否同号
    • an+1=f(an)a_{n + 1} = f(a_n),则y=f(x)y = f(x)f(x)>0f'(x) \gt 0
  4. 证明有界性的方法:
    • 数学归纳法
    • 重要不等式
    • 最值
  • 例11:已知x1=12x_1 = \dfrac{1}{2}xn+1=21+1xn(nN+)x_{n + 1} = \dfrac{2}{1 + \frac{1}{x_n}} \, (n \in \mathbb{N}_+),证明limnxn\lim_{n \to \infty} x_n存在并求其值。

    Details
    • 首先证明其单调性:

      关于递推式:

      f(xn)f(x_n)求导得:

      又因为x1=0.5x_1 = 0.5,所以xnx_n单调递增且xn0.5x_n \geq 0.5

    • 其次证明其有界性:

      已知xn0.5x_n \geq 0.5,则:

      则:

      则:

      则:

      可见,xnx_n存在上界,其始终小于22

  • 例12:设xn=1+122+132+...+1n2x_n = 1 + \dfrac{1}{2^2} + \dfrac{1}{3^2} + ... + \dfrac{1}{n^2},证明limnxn\lim_{n \to \infty} x_n存在。

    Details
    • 首先证明其单调性:

      计算xn+1xnx_{n + 1} - x_n

      所以xnx_n为单调递增

    • 其次证明其有界性:

      所以xnx_n存在上界,其始终小于22

VI. 无穷小量与无穷大量

6.1 无穷小量的定义

设函数f(x)f(x)在点x0x_0的某去心邻域内有定义,如果对于任意ϵ>0\epsilon \gt 0,存在δ>0\delta \gt 0,使得当0<xx0<δ0 \lt |x - x_0| \lt \delta时,有f(x)<ϵ|f(x)| \lt \epsilon,则称函数f(x)f(x)xx0x \to x_0时的无穷小量

Tip

简而言之,即:limxx0f(x)=0\lim_{x \to x_0} f(x) = 0,称其为一个无穷小量

6.2 无穷小量与极限的关系

Tip

作用:可以用来去掉极限号,将f(x)f(x)的表达式求出来

用法:已知极限中含有抽象函数,可利用该方法将抽象函数表达式求出

6.3 无穷大量的定义

设函数f(x)f(x)在点x0x_0的某去心邻域内有定义,如果对于任意正数MM(无论它有多么大),存在ϵ>0\epsilon \gt 0,使得当0<xx0<ϵ0 \lt |x - x_0| \lt \epsilon时,有f(x)>M|f(x)| \gt M,则称函数f(x)f(x)是当xx0x \to x_0时的无穷大量

Tip

简而言之,即:limxx0f(x)=\lim_{x \to x_0} f(x) = \infty,称其为一个无穷大量

无穷大量与无界量之间的关系:无穷大量必为无界量,无界量未必为无穷大量,但无界量必定含有一个无穷大的子序列

  • 例13:设数列{xn}\{ x_n \}{yn}\{ y_n \}满足limnxnyn=0\lim_{n \to \infty} x_n y_n = 0,则以下说法正确的是:

    • (A)若{xn}\{ x_n \}发散,则{yn}\{ y_n \}不发散
    • (B)若{xn}\{ x_n \}无界,则{yn}\{ y_n \}必有界
    • (C)若{xn}\{ x_n \}有界,则{yn}\{ y_n \}必为无穷小
    • (D)若{1xn}\{ \frac{1}{x_n} \}为无穷小,则{yn}\{ y_n \}必为无穷小
    Answer

    limn1xn=0\lim_{n \to \infty} \frac{1}{x_n} = 0,则:

    在此情况下,只有当limnyn=0\lim_{n \to \infty} y_n = 0时,形成0\infty \cdot 0的未定式,才有可能得到limnxnyn=0\lim_{n \to \infty} x_n y_n = 0,例如:

    所以D选项正确

6.4 无穷小量与无穷大量的关系

  1. limxx0f(x)=\lim_{x \to x_0} f(x) = \infty,则limxx01f(x)=0\lim_{x \to x_0} \dfrac{1}{f(x)} = 0
  2. limxx0f(x)=0\lim_{x \to x_0} f(x) = 0,且f(x)0f(x) \neq 0,则limxx01f(x)=\lim_{x \to x_0} \dfrac{1}{f(x)} = \infty

6.5 无穷小量和无穷大量的运算性质

  1. 有限个无穷小量的和、差、积也是无穷小量
  2. 有界量与无穷小量之积为无穷小量
  3. limf(x)=±\lim f(x) = \pm \inftylimg(x)=±\lim g(x) = \pm \infty,则lim[f(x)+g(x)]=±\lim \left[ f(x) + g(x) \right] = \pm \infty

6.6 无穷小量阶的比较

limα=limβ=0\lim \alpha = \lim \beta = 0,且α0\alpha \neq 0,则:

  • limβα=0\lim \dfrac{\beta}{\alpha} = 0,则称β\beta是比α\alpha高阶的无穷小,记作β=o(α)\beta = o(\alpha)
  • limβα=\lim \dfrac{\beta}{\alpha} = \infty,则称β\beta是比α\alpha低阶的无穷小
  • limβα=c0\lim \dfrac{\beta}{\alpha} = c \neq 0,则称β\betaα\alpha是同阶的无穷小;当c=0c = 0时两者为等价的无穷小,记作βα\beta \sim \alpha
  • limβαk0(k>0)\lim \dfrac{\beta}{\alpha^k} \neq 0 \, (k \gt 0),则称β\betaα\alphakk阶无穷小

Tip

  1. 同阶无穷小与等价无穷小之间的关系:

  2. 高阶无穷小与等价无穷小之间的关系:

  3. 高阶无穷小的运算:

6.7 等价无穷小替换定理

在自变量的同一变化过程中,设α(x)α~(x)\alpha(x) \sim\tilde{\alpha}(x)β(x)β~(x)\beta(x) \sim \tilde{\beta}(x),且limβ~α~\lim \dfrac{\tilde{\beta}}{\tilde{\alpha}}存在,则limβα=limβ~α~\lim \dfrac{\beta}{\alpha} = \lim \dfrac{\tilde{\beta}}{\tilde{\alpha}}

6.8 常用的等价无穷小量

x0x \to 0时:

  • 例14:设α(x)=(ekx1)arcsinx\alpha(x) = (e^{kx} - 1) \arcsin xβ(x)=1+xarcsinxcosx\beta(x) = \sqrt{1 + x \arcsin x} - \sqrt{\cos x},当x0x \to 0时,α(x)β(x)\alpha(x) \sim \beta(x),则kk的值是多少?

    Answer

    通过等价无穷小替换来简化极限:

    可解得k=34k = \dfrac{3}{4}

  • 例15:若极限limx0sinxexa(cosxb)=5\lim_{x \to 0} \dfrac{\sin x}{e^x - a} (\cos x - b) = 5,则aabb的值是多少?

    Answer

    通过等价无穷小替换来简化极限:

    已知分子为无穷小,则分母必须也为无穷小,否则无法得到极限值55,所以1a=01 - a = 0,则a=1a = 1;然后再将a=1a = 1代入后求bb

    由此可得b=4b = -4