数列的极限

定义

{xn}\{x_n\} 为一数列,如果存在常数 aa,是对于任意给定的正数 ϵ\epsilon(不论它多么小),总存在正整数 NN,使得当 n>Nn > N时,不等式

xna<ε\left\vert x_n - a \right\vert < \varepsilon

都成立,那么就称常数 aa数列 {xn}\{x_n\}极限,或者称数列 {xn}\{x_n\} 收敛于 aa,记为

limnxn=a\lim\limits_{n \to \infty }x_n = a

xna(n)x_n \to a \quad (n \to \infty)

如果不存在这样的常数 aa,就说数列 {xn}\{x_n\} 没有极限,或者说数列 {xn}\{x_n\}发散的,习惯上也说 limnxn\lim\limits_{n \to \infty}x_n 不存在。

数列极限 limnxn=a\lim\limits_{n\to\infty}x_n = a 的定义可表达为

limnxn=aε>0,正整数N,当n>N时,有xna<ε\lim\limits_{n \to \infty}x_n = a \Leftrightarrow \forall \varepsilon > 0, \, \exists \,正整数\,N,当\,n > N\,时,有\,\left\vert x_n - a\right\vert < \varepsilon

性质

定理 11(极限的唯一性)\quad 如果数列 {xn}\{x_n\} 收敛,那么它的极限唯一。

定理 22(收敛数列的有界性)\quad 如果数列 {xn}\{x_n\} 收敛,那么数列 {xn}\{x_n\} 一定有界。

定理 33(收敛数列的保号性)\quad 如果 limnxn=a\lim\limits_{n \to \infty}x_n = a,且 a>0a > 0(或 a<0a < 0),那么存在正整数 NN,当 n>Nn > N 时,都有 xn>0x_n > 0(或 xn<0x_n < 0)。

推论\quad 如果数列 {xn}\{x_n\} 从某项起有 xn0x_n \ge 0(或 xn0x_n \le 0),且 limnxn=a\lim\limits_{n\to\infty} x_n = a,那么 a0a \ge 0(或 a0a \le 0)。

定理 44(收敛数列与其子数列间的关系)\quad 如果数列 {xn}\{x_n\} 收敛于 aa,那么它的任一子数列也收敛,且极限也是 aa

函数的极限

定义

定义 11\quad 设函数 f(x)f(x) 在点 x0x_0 的某一去心邻域内有定义。如果存在常数 AA,对于任一给定的正数 ε\varepsilon(不论它多么小),总存在正数 δ\delta,使得当 xx 满足不等式 0<xx0<δ0 < \left\vert x - x_0 \right\vert < \delta 时,对应的函数值 f(x)f(x) 都满足不等式

f(x)<A<ε\left\vert f(x) < A \right\vert < \varepsilon

那么常数 AA 就叫做函数 f(x)f(x)xx0x\to x_0 时的极限,记作

limxx0f(x)=A 或 f(x)A ( 当 xx0 )\lim\limits_{x\to x_0}f(x) = A\ 或\ f(x) \to A\ (\ 当\ x \to x_0\ )

定义 11 可以简单的表述为

limxx0f(x)=Aε>0,δ>0,0<xx0<δ,f(x)A<ε\lim\limits_{x\to x_0}f(x) = A \Leftrightarrow \forall \varepsilon > 0, \exists \delta > 0, 当 0 < \left\vert x - x_0 \right\vert < \delta 时, 有 \left\vert f(x) - A \right\vert < \varepsilon

limxx0f(x)=A\lim\limits_{x\to x_0}f(x) = A 的定义中,把 0<xx0<δ0 < \left\vert x - x_0 \right\vert < \delta 改为 x0δ<x<x0x_0 - \delta < x < x_0,那么 AA 就叫做函数 f(x)f(x)xx0x \to x_0 时的左极限,记作

limxx0f(x)=Af(x0)=A\lim\limits_{x \to x^-_0}f(x) = A \quad 或 \quad f(x_0^-) = A

类似的,把 0<xx0<δ0 < \left\vert x - x_0\right\vert < \delta 改为 x0<x<x0+δx_0 < x < x_0 + \delta,那么 AA 就叫做函数 f(x)f(x)xx0x \to x_0 时的右极限,记作

limxx0+f(x)=Af(x0+)=A\lim\limits_{x \to x^+_0}f(x) = A \quad 或 \quad f(x_0^+) = A

函数 f(x)f(x)xx0x \to x_0 时极限存在的充分必要条件是左极限及右极限各自存在并且相等,即

f(x0)=f(x0+)f(x_0^-) = f(x_0^+)

定义 22\quad 设函数 f(x)f(x)x\left\vert x\right\vert 大于某一正数时有定义。如果存在常数 AA,对于任意给定的正数 ε\varepsilon,总存在正数 XX,使得当 xx 满足不等式 x>X\left\vert x\right\vert > X 时,对应的函数值 f(x)f(x) 都满足不等式

f(x)A<ε\left\vert f(x) - A \right\vert < \varepsilon

那么常数 AA 就叫做函数 f(x)f(x)xx \to \infty 时的极限,记作

limx=Af(x)A(x)\lim\limits_{x \to \infty} = A \quad 或 \quad f(x) \to A (当 x\to \infty)

定义 22 可简单地表达为

limxf(x)=Aε>0,X>0,x>X时,有f(x)A<ε\lim\limits_{x \to \infty} f(x) = A \Leftrightarrow \forall \varepsilon > 0, \exists X > 0, 当 \left\vert x \right\vert > X时,有 \left\vert f(x) - A \right\vert < \varepsilon

性质

定理 11(函数极限的唯一性)\quad 如果 limxx0f(x)\lim\limits_{x \to x_0} f(x) 存在,那么这极限唯一。

定理 22(函数极限的局部有界性)\quad 如果 limxx0f(x)=A\lim\limits_{x \to x_0}f(x) = A,那么存在常数 M>0M>0δ>0\delta > 0,使得当 0<xx0<δ0 < \left\vert x - x_0 \right\vert < \delta 时,有 f(x)M\left\vert f(x) \right\vert \le M

定理 33(函数极限的局部保号性)\quad 如果 limxx0f(x)=A\lim\limits_{x \to x_0}f(x) = A,且 A>0A > 0(或 A<0A < 0,那么存在常数 δ>0\delta > 0,使得当 0<xx0<δ0 < \left\vert x - x_0 \right\vert < \delta 时,有 f(x)>0f(x) > 0(或 f(x)<0f(x) < 0)。

定理 33^\prime\quad 如果 limxx0f(x)=A(A0)\lim\limits_{x \to x_0}f(x) = A(A \ne 0),那么就存在着 x0x_0 的某一去心邻域 U˚(x0)\mathring{U}(x_0),当 xU˚(x0)x \in \mathring{U}(x_0) 时,就有 f(x)>A2\left\vert f(x) \right\vert > \frac{\left\vert A\right\vert}{2}

推论\quad 如果在 x0x_0 的某去心邻域内 f(x)0f(x) \ge 0(或 f(x)0f(x) \le 0),而且 limxx0f(x)=A\lim\limits_{x\to x_0}f(x) = A,那么 A0A \ge 0(或 A0A \le 0)。

定理 44(函数极限与数列极限的关系)\quad 如果极限 limxx0f(x)\lim\limits_{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:xnx0x_n \ne x_0nN+n \in 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\limits_{n \to \infty}f(x_n) = \lim\limits_{x \to x_0}f(x)

无穷小

定义

如果函数 f(x)f(x)xx0x \to x_0(或 xx \to \infty)时的极限为零,那么称函数 f(x)f(x) 为当 xx0x \to x_0(或 xx \to \infty)时的无穷小。

性质

在自变量的同一变化过程 xx0x \to x_0(或 xx \to \infty)中,函数 f(x)f(x) 具有极限 AA 的充分必要条件时 f(x)=A+αf(x) = A + \alpha,其中 α\alpha 是无穷小。

比较

如果 limβα=0\lim\frac{\beta}{\alpha} = 0,那么就说 β\beta 是比 α\alpha 高阶的无穷小,记作 β=o(α)\beta = o(\alpha)

如果 limβα=\lim\frac{\beta}{\alpha} = \infty,那么就说 β\beta 是比 α\alpha 低阶的无穷小

如果 limβα=c0\lim\frac{\beta}{\alpha} = c \ne 0,那么就说 β\betaα\alpha同阶的无穷小

如果 limβαk=c0,k>0\lim\frac{\beta}{\alpha^k} = c \ne 0, k > 0,那么就说 β\beta 是关于 α\alphakk 阶的无穷小

如果 limβα=1\lim\frac{\beta}{\alpha} = 1,那么就说 β\betaα\alpha等价无穷小,记作 αβ\alpha \sim \beta

定理 11\quad β\betaα\alpha 是等价无穷小的充分必要条件为

β=α+o(α)\beta = \alpha + o(\alpha)

定理 22\quadαα~\alpha \sim \tilde\alphaββ~\beta \sim \tilde\beta,且 limβ~α~\lim\limits\frac{\tilde\beta}{\tilde\alpha} 存在,则

limβα=limβ~α~\lim\limits\frac{\beta}{\alpha} = \lim\limits\frac{\tilde\beta}{\tilde\alpha}

无穷大

定义

设函数 f(x)f(x)x0x_0 的某一去心邻域内有定义(或 x\left\vert x \right\vert 大于某一正数时有定义)。如果对于任意给定的正数 MM(不论它有多大),总存在正数 δ\delta(或正数 XX),只要 xx 适合不等式 0<xx0<δ0 < \left\vert x - x_0 \right\vert < \delta(或 x>X\left\vert x \right\vert > X),对应的函数值 f(x)f(x) 总满足不等式

f(x)>M\left\vert f(x) \right\vert > M

那么称函数 f(x)f(x) 是当 xx0x \to x_0(或 xx \to \infty)时的无穷大。

性质

在自变量的同一变化过程中,如果 f(x)f(x) 为无穷大,那么 1f(x)\frac{1}{f(x)} 为无穷小;反之,如果 f(x)f(x) 为无穷小,且 f(x)0f(x) \ne 0,那么 1f(x)\frac{1}{f(x)} 为无穷大。

极限运算法则

定理 11\quad 有限个无穷小的和是无穷小

定理 22\quad 有界函数与无穷小的乘积是无穷小

推论 11\quad 常数与无穷小的乘积是无穷小

推论 22\quad 有限个无穷小的乘积是无穷小

定理 33\quad 如果 limf(x)=A,limg(x)=B\lim f(x)=A, \lim g(x) = B,那么

  1. lim[f(x)±g(x)]=limf(x)±limg(x)=A±B\lim\left[f(x) \pm g(x) \right] = \lim f(x) \pm \lim g(x) = A \pm B
  2. lim[f(x)g(x)]=limf(x)limg(x)=AB\lim\left[f(x) \cdot g(x) \right] = \lim f(x) \cdot \lim g(x) = A \cdot B
  3. 若又有 B0B \ne 0,则

limf(x)g(x)=limf(x)limg(x)=AB\lim \frac{f(x)}{g(x)} = \frac{\lim f(x)}{\lim g(x)} = \frac{A}{B}

定理 44\quad 设有数列 {xn}\{x_n\}{yn}\{y_n\}。如果

limnxn=A,limnyn=B\lim\limits_{n\to\infty}x_n = A,\quad \lim\limits_{n\to\infty}y_n = B

那么

  1. limn(xn±yn)=A±B\lim\limits_{n\to\infty}(x_n\pm y_n) = A \pm B
  2. limn(xnyn)=AB\lim\limits_{n\to\infty}(x_n \cdot y_n) = A \cdot B
  3. yn0y_n \ne 0n=1,2,n = 1, 2, \cdots)且 B0B \ne 0 时,limnxnyn=AB\lim\limits_{n\to\infty}\frac{x_n}{y_n} = \frac{A}{B}

定理 55\quad 如果 φ(x)ψ(x)\varphi(x) \ge \psi(x),而 limφ(x)=A\lim\limits \varphi(x) = Alimψ(x)=B\lim\limits \psi(x) = B,那么 ABA \ge B

定理 66(复合函数的极限运算法则)\quad 设函数 y=f[g(x)]y = f\left[g(x)\right] 是由函数 u=g(x)u = g(x) 与函数 y=f(u)y = f(u) 复合而成,f[g(x)]f\left[g(x)\right] 在点 x0x_0 的某去心邻域内有定义,若 limxx0g(x)=u0\lim\limits_{x\to x_0}g(x) = u_0limuu0f(u)=A\lim\limits_{u \to u_0}f(u) = A,且存在 δ0>0\delta_0 > 0,当 xU˚(x0,δ0)x \in \mathring{U}(x_0, \delta_0) 时,有 g(x)u0g(x) \ne u_0,则

limxx0f[g(x)]=limuu0f(u)=A\lim\limits_{x \to x_0}f\left[g(x)\right] = \lim\limits_{u\to u_0}f(u) = A

极限存在准则

准则 I\mathrm{I}\quad 如果数列 {xn}\{x_n\}{yn}\{y_n\}{zn}\{z_n\} 满足下列条件:

  1. 从某项起,即 n0N+\exists n_0 \in \N_+,当 n>n0n > n_0 时,有

ynxnzny_n \le x_n \le z_n

  1. limnyn=a,limnzn=a\lim\limits_{n \to \infty}y_n = a, \lim\limits_{n\to\infty}z_n = a

那么数列 {xn}\{x_n\} 的极限存在,且 limnxn=a\lim\limits_{n\to\infty}x_n = a

准则 I\mathrm{I}^\prime\quad 如果

  1. xU˚(x0,r)x \in \mathring{U}(x_0, r)(或 x>M\left\vert x \right\vert > M)时,

g(x)f(x)h(x)g(x) \le f(x) \le h(x)

  1. limxx0(x)g(x)=A,limxx0(x)h(x)=A\lim\limits_{x\to x_0 \atop (x \to \infty)}g(x) = A, \lim\limits_{x\to x_0 \atop (x\to\infty)}h(x) = A

那么 limxx0(x)f(x)\lim\limits_{x\to x_0 \atop (x\to \infty)}f(x) 存在,且等于 AA

准则 I\mathrm{I} 及准则 I\mathrm{I}^\prime 称为夹逼准则

准则 II\mathrm{II}\quad 单调有界数列必有极限。