第二节 极限
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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:
设为一数列,如果存在常数,对于任意给定的正数,总存在正整数,使得当时,以下不等式恒成立:
则称常数为数列的极限,或称数列收敛于,记为:
或:
也可描述为:
Tip
收敛数列的性质:
- 如果数列收敛,则其极限唯一(极限的唯一性)
- 如果数列收敛,则其必定有界(收敛数列的有界性)
- 如果,且(或),则存在正整数,当时,都有或()
- 如果数列收敛于,则其任一子数列都收敛于
例1:若,证明,并举例说明:如果数列有极限,数列未必有极限。
Answer
因为的极限为,则对于任意给定的正数,总存在正整数,使得当时,有:
又因为:
则对于任意的和极限,有:
那么,既然存在,则必然也存在:
由此可知,对于任意给定的正数,总存在正整数,使得当时,有:
即:
反例:
显然可见的值在之间不断交替,因此其并非收敛;而的值却总是为,因此其收敛于
II. 函数的极限
函数极限与数列极限的关系:如果极限存在,为函数的定义域内任一收敛于的数列,且满足,那么相应的函数值数列必收敛,且
2.1 自变量趋向于无穷时函数的极限
设函数在上有定义,如果存在常数,对,存在正数,使得当时,有,则称函数当时以为极限,记为:
也可简单表达为:
Tip
直观解释:
这个定义表明,当趋向于无穷大时,函数的值会越来越接近于,并且可以在任意给定的误差范围内稳定下来。这意味着无论给定的有多小,只要足够大,函数值与极限之间的差就可以小于
例2:设,试判断是否存在?
Answer
小结:对于指数函数的极限,当指数部分趋近于时,一定要分开讨论
例3:用定义法证明.
Answer
考虑函数,为了证明其极限为,对于任意,需要找到正数,使得当时,有:
对于绝对值,因为,则有:
对于函数,当时,函数值会无限趋近于,因此存在:
解不等式可得:
因此,对于任意给定的,取,当时,有:
由此可证:
2.2 自变量趋向于有限值时函数的极限
设函数在点的某去心邻域内有定义(于点可以没有定义),如果存在常数,对于,,使得当时,有,则称函数当时以为极限,记为:
也可简单表达为:
Tip
2.3 单侧极限
设函数在点的左侧邻域内有定义(于点可以没有定义),为一个常数,如果对于任意,存在,使得当时,有,则称函数当时的左极限,记为
设函数在点的右侧邻域内有定义(于点可以没有定义),为一个常数,如果对于任意,存在,使得当时,有,则称函数当时的右极限,记为
函数当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时函数值也接近于常数;右极限的定义描述的是当自变量从右往左接近时函数值也接近于常数;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
首先计算时的极限:
然后计算时的极限:
可见其左右极限存在但不相等,因此这个极限不存在!
(2)
Answer
首先计算时的极限:
然后计算时的极限:
可见其左右极限存在且相等,因此这个极限存在且值为
III. 极限的性质
唯一性:若存在,则其极限值唯一
(局部)有界性:若,则存在一个去心邻域,在此去心邻域内有界
(局部)保号性:若,则存在一个去心邻域,在此去心邻域内
推论:若存在一个去心邻域,在此去心邻域内,且,则
例5:设,且,则当充分大时有_____.
- (A)
- (B)
- (C)
- (D)
Answer
由于已知,则当对于给定的取值为时有:
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:
和与积的运算法则只对有限项成立,对于无限项不成立!
若存在,则与同时存在或同时不存在
若,则:
若,则:
推论:
- 若存在,且为常数,则
- 若存在,且为常数,则
例6:设、、均为非负数列,且、、,则必有_____.
- (A)
- (B)
- (C)不存在
- (D)不存在
Answer
(A)
由题可知,是一个从非零值开始趋于的数列,而是一个从非零值开始趋于的数列,因此无法保证它们从头到尾都能满足,反例:
可见当时
(B)
由题可知,是一个从非零值开始趋于的数列,而是一个从非零值开始趋于的数列,因此无法保证它们从头到尾都能满足,反例:
可见当时
(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:
因此无法保证的值一定不存在
(D)
由极限的运算法则可得:
因此的值一定为,即不存在
例7:求下列极限。
(1)
Answer
通过因式分解可得:
(2)
Answer
对分子分母同除以可得:(抓大头)
然后将代入可得:
(3)
Answer
首先通过乘以共轭的方式简化这个极限:
化简可得:
将分子分母同除以可得:
然后将代入可得:
(4)
Answer
对分子分母同时除以可得:
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:当时,趋向于,所以趋向于,常数项可忽略,则分子近似为
对于分母:趋向于的速度远大于趋向于的速度,因此项可忽略,则分母近似为
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
若且,,则
例8:已知,求.
Answer
思路:通过换元求出的极限值
已知:
设,则:
由此可得:
接下来,设,则:
例9:设函数:
求.
Answer
首先计算内层函数在时的极限:
由此可得:(设)
V. 极限存在的两个准则
5.1 夹逼准则
设为包含某点的区间,且函数为、、定义在上且可能不包含点的函数。若对于所有属于而不等于的,有:
则函数的极限存在,且也为,而函数、分别称为的下界与上界
Tip
若为的端点,则上述的极限为左极限或右极限。对于,此定理依旧可用
例10:求极限,其中.
Answer
设一个最大值:
则:
且因为至少有一个,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.
Answer
设数列:
首先找出中最大的一项:
其次找出中最小的一项:
又因为这个多项式共有项,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:
- 若,则存在,且为的一个上界
- 若,则存在,且为的一个下界
Tip
- 单调有界准则只能证明的极限存在,但极限值未必能够求出
- 若且无上(下)界,则的极限为(或)
- 证明单调性的方法:
- 比较与的大小
- 比较与的大小
- 数学归纳法
- 重要不等式:
- 判断与是否同号
- 若,则且
- 证明有界性的方法:
- 数学归纳法
- 重要不等式
- 最值
例11:已知,,证明存在并求其值。
Details
首先证明其单调性:
关于递推式:
对求导得:
又因为,所以单调递增且
其次证明其有界性:
已知,则:
则:
则:
则:
可见,存在上界,其始终小于
例12:设,证明存在。
Details
首先证明其单调性:
计算:
所以为单调递增
其次证明其有界性:
所以存在上界,其始终小于
VI. 无穷小量与无穷大量
6.1 无穷小量的定义
设函数在点的某去心邻域内有定义,如果对于任意,存在,使得当时,有,则称函数是时的无穷小量
Tip
简而言之,即:,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
设函数在点的某去心邻域内有定义,如果对于任意正数(无论它有多么大),存在,使得当时,有,则称函数是当时的无穷大量
Tip
简而言之,即:,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:设数列与满足,则以下说法正确的是:
- (A)若发散,则不发散
- (B)若无界,则必有界
- (C)若有界,则必为无穷小
- (D)若为无穷小,则必为无穷小
Answer
若,则:
在此情况下,只有当时,形成的未定式,才有可能得到,例如:
所以D选项正确
6.4 无穷小量与无穷大量的关系
- 若,则
- 若,且,则
6.5 无穷小量和无穷大量的运算性质
- 有限个无穷小量的和、差、积也是无穷小量
- 有界量与无穷小量之积为无穷小量
- 设、,则
6.6 无穷小量阶的比较
设,且,则:
- 若,则称是比高阶的无穷小,记作
- 若,则称是比低阶的无穷小
- 若,则称与是同阶的无穷小;当时两者为等价的无穷小,记作
- 若,则称是的阶无穷小
Tip
同阶无穷小与等价无穷小之间的关系:
高阶无穷小与等价无穷小之间的关系:
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,,且存在,则
6.8 常用的等价无穷小量
当时:
例14:设,,当时,,则的值是多少?
Answer
通过等价无穷小替换来简化极限:
可解得
例15:若极限,则和的值是多少?
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,所以,则;然后再将代入后求:
由此可得