数列的极限
定义
设 {xn} 为一数列,如果存在常数 a,是对于任意给定的正数 ϵ(不论它多么小),总存在正整数 N,使得当 n>N时,不等式
∣xn−a∣<ε
都成立,那么就称常数 a 是数列 {xn} 的极限,或者称数列 {xn} 收敛于 a,记为
n→∞limxn=a
或
xn→a(n→∞)
如果不存在这样的常数 a,就说数列 {xn} 没有极限,或者说数列 {xn} 是发散的,习惯上也说 n→∞limxn 不存在。
数列极限 n→∞limxn=a 的定义可表达为
n→∞limxn=a⇔∀ε>0,∃正整数N,当n>N时,有∣xn−a∣<ε
性质
定理 1(极限的唯一性) 如果数列 {xn} 收敛,那么它的极限唯一。
定理 2(收敛数列的有界性) 如果数列 {xn} 收敛,那么数列 {xn} 一定有界。
定理 3(收敛数列的保号性) 如果 n→∞limxn=a,且 a>0(或 a<0),那么存在正整数 N,当 n>N 时,都有 xn>0(或 xn<0)。
推论 如果数列 {xn} 从某项起有 xn≥0(或 xn≤0),且 n→∞limxn=a,那么 a≥0(或 a≤0)。
定理 4(收敛数列与其子数列间的关系) 如果数列 {xn} 收敛于 a,那么它的任一子数列也收敛,且极限也是 a。
函数的极限
定义
定义 1 设函数 f(x) 在点 x0 的某一去心邻域内有定义。如果存在常数 A,对于任一给定的正数 ε(不论它多么小),总存在正数 δ,使得当 x 满足不等式 0<∣x−x0∣<δ 时,对应的函数值 f(x) 都满足不等式
∣f(x)<A∣<ε
那么常数 A 就叫做函数 f(x) 当 x→x0 时的极限,记作
x→x0limf(x)=A 或 f(x)→A ( 当 x→x0 )
定义 1 可以简单的表述为
x→x0limf(x)=A⇔∀ε>0,∃δ>0,当0<∣x−x0∣<δ时,有∣f(x)−A∣<ε
在 x→x0limf(x)=A 的定义中,把 0<∣x−x0∣<δ 改为 x0−δ<x<x0,那么 A 就叫做函数 f(x) 当 x→x0 时的左极限,记作
x→x0−limf(x)=A或f(x0−)=A
类似的,把 0<∣x−x0∣<δ 改为 x0<x<x0+δ,那么 A 就叫做函数 f(x) 当 x→x0 时的右极限,记作
x→x0+limf(x)=A或f(x0+)=A
函数 f(x) 当 x→x0 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+)
定义 2 设函数 f(x) 当 ∣x∣ 大于某一正数时有定义。如果存在常数 A,对于任意给定的正数 ε,总存在正数 X,使得当 x 满足不等式 ∣x∣>X 时,对应的函数值 f(x) 都满足不等式
∣f(x)−A∣<ε
那么常数 A 就叫做函数 f(x) 当 x→∞ 时的极限,记作
x→∞lim=A或f(x)→A(当x→∞)
定义 2 可简单地表达为
x→∞limf(x)=A⇔∀ε>0,∃X>0,当∣x∣>X时,有∣f(x)−A∣<ε
性质
定理 1(函数极限的唯一性) 如果 x→x0limf(x) 存在,那么这极限唯一。
定理 2(函数极限的局部有界性) 如果 x→x0limf(x)=A,那么存在常数 M>0 和 δ>0,使得当 0<∣x−x0∣<δ 时,有 ∣f(x)∣≤M。
定理 3(函数极限的局部保号性) 如果 x→x0limf(x)=A,且 A>0(或 A<0,那么存在常数 δ>0,使得当 0<∣x−x0∣<δ 时,有 f(x)>0(或 f(x)<0)。
定理 3′ 如果 x→x0limf(x)=A(A=0),那么就存在着 x0 的某一去心邻域 U˚(x0),当 x∈U˚(x0) 时,就有 ∣f(x)∣>2∣A∣。
推论 如果在 x0 的某去心邻域内 f(x)≥0(或 f(x)≤0),而且 x→x0limf(x)=A,那么 A≥0(或 A≤0)。
定理 4(函数极限与数列极限的关系) 如果极限 x→x0limf(x) 存在,{xn} 为函数 f(x) 的定义域内任一收敛于 x0 的数列,且满足:xn=x0(n∈N+),那么相应的函数值数列 {f(xn)} 必收敛,且 n→∞limf(xn)=x→x0limf(x)。
无穷小
定义
如果函数 f(x) 当 x→x0(或 x→∞)时的极限为零,那么称函数 f(x) 为当 x→x0(或 x→∞)时的无穷小。
性质
在自变量的同一变化过程 x→x0(或 x→∞)中,函数 f(x) 具有极限 A 的充分必要条件时 f(x)=A+α,其中 α 是无穷小。
比较
如果 limαβ=0,那么就说 β 是比 α 高阶的无穷小,记作 β=o(α)
如果 limαβ=∞,那么就说 β 是比 α 低阶的无穷小
如果 limαβ=c=0,那么就说 β 与 α 是同阶的无穷小
如果 limαkβ=c=0,k>0,那么就说 β 是关于 α 的 k 阶的无穷小
如果 limαβ=1,那么就说 β 与 α 是等价无穷小,记作 α∼β
定理 1 β 与 α 是等价无穷小的充分必要条件为
β=α+o(α)
定理 2 设 α∼α~,β∼β~,且 limα~β~ 存在,则
limαβ=limα~β~
无穷大
定义
设函数 f(x) 在 x0 的某一去心邻域内有定义(或 ∣x∣ 大于某一正数时有定义)。如果对于任意给定的正数 M(不论它有多大),总存在正数 δ(或正数 X),只要 x 适合不等式 0<∣x−x0∣<δ(或 ∣x∣>X),对应的函数值 f(x) 总满足不等式
∣f(x)∣>M
那么称函数 f(x) 是当 x→x0(或 x→∞)时的无穷大。
性质
在自变量的同一变化过程中,如果 f(x) 为无穷大,那么 f(x)1 为无穷小;反之,如果 f(x) 为无穷小,且 f(x)=0,那么 f(x)1 为无穷大。
极限运算法则
定理 1 有限个无穷小的和是无穷小
定理 2 有界函数与无穷小的乘积是无穷小
推论 1 常数与无穷小的乘积是无穷小
推论 2 有限个无穷小的乘积是无穷小
定理 3 如果 limf(x)=A,limg(x)=B,那么
- lim[f(x)±g(x)]=limf(x)±limg(x)=A±B
- lim[f(x)⋅g(x)]=limf(x)⋅limg(x)=A⋅B
- 若又有 B=0,则
limg(x)f(x)=limg(x)limf(x)=BA
定理 4 设有数列 {xn} 和 {yn}。如果
n→∞limxn=A,n→∞limyn=B
那么
- n→∞lim(xn±yn)=A±B
- n→∞lim(xn⋅yn)=A⋅B
- 当 yn=0(n=1,2,⋯)且 B=0 时,n→∞limynxn=BA
定理 5 如果 φ(x)≥ψ(x),而 limφ(x)=A,limψ(x)=B,那么 A≥B。
定理 6(复合函数的极限运算法则) 设函数 y=f[g(x)] 是由函数 u=g(x) 与函数 y=f(u) 复合而成,f[g(x)] 在点 x0 的某去心邻域内有定义,若 x→x0limg(x)=u0,u→u0limf(u)=A,且存在 δ0>0,当 x∈U˚(x0,δ0) 时,有 g(x)=u0,则
x→x0limf[g(x)]=u→u0limf(u)=A
极限存在准则
准则 I 如果数列 {xn},{yn} 及 {zn} 满足下列条件:
- 从某项起,即 ∃n0∈N+,当 n>n0 时,有
yn≤xn≤zn
- n→∞limyn=a,n→∞limzn=a
那么数列 {xn} 的极限存在,且 n→∞limxn=a
准则 I′ 如果
- 当 x∈U˚(x0,r)(或 ∣x∣>M)时,
g(x)≤f(x)≤h(x)
- (x→∞)x→x0limg(x)=A,(x→∞)x→x0limh(x)=A
那么 (x→∞)x→x0limf(x) 存在,且等于 A。
准则 I 及准则 I′ 称为夹逼准则。
准则 II 单调有界数列必有极限。