Skip to content

第一章 函数与极限

· 9 min

1.1 映射与函数#

1.1.1 函数的定义#

定义:设 DD 是实数集的子集,如果对于 DD 中的每一个 xx,按照某个法则 ff,都有唯一确定的实数 yy 与之对应,则称 yy 是 xx 的函数,记作 y=f(x)y = f(x)。

函数的两要素:定义域 DD 与对应法则 ff。

1.1.2 函数的四种特性#

有界性:若存在 M>0M > 0,使得对任意 x∈Dx \in D,都有 ∣f(x)∣≤M|f(x)| \le M,则称 f(x)f(x) 在 DD 上有界。

单调性:

奇偶性:

周期性:若存在 T>0T > 0,使得对任意 x∈Dx \in D,有 f(x+T)=f(x)f(x+T) = f(x),则称 f(x)f(x) 为周期函数,TT 为周期。

1.1.3 反函数#

定义:若函数 y=f(x)y = f(x) 的定义域为 DD,值域为 RR,且对于 RR 中的每一个 yy,都有唯一的 x∈Dx \in D 使得 f(x)=yf(x) = y,则可以确定一个从 RR 到 DD 的函数,称为 y=f(x)y = f(x) 的反函数,记作 x=f−1(y)x = f^{-1}(y) 或 y=f−1(x)y = f^{-1}(x)。

存在条件:函数在定义域上严格单调。

1.1.4 复合函数#

定义:若函数 y=f(u)y = f(u) 的定义域为 D1D_1,函数 u=g(x)u = g(x) 的定义域为 DD,且 g(D)⊆D1g(D) \subseteq D_1,则函数 y=f(g(x))y = f(g(x)) 称为由 y=f(u)y = f(u) 和 u=g(x)u = g(x) 复合而成的复合函数。


1.2 数列的极限#

1.2.1 数列极限的定义#

定义(ε−N\varepsilon-N 语言):如果对于任意给定的 ε>0\varepsilon > 0,总存在正整数 NN,使得当 n>Nn > N 时,都有 ∣xn−a∣<ε|x_n - a| < \varepsilon,则称常数 aa 是数列 {xn}\{x_n\} 的极限,记作 lim⁡n→∞xn=a\lim_{n \to \infty} x_n = a


1.2.2 收敛数列的性质#

唯一性:如果数列 {xn}\{x_n\} 收敛,则其极限唯一。

有界性:如果数列 {xn}\{x_n\} 收敛,则 {xn}\{x_n\} 必有界。

保号性:若 lim⁡n→∞xn=a\lim_{n \to \infty} x_n = a,且 a>0a > 0(或 a<0a < 0),则存在正整数 NN,使得当 n>Nn > N 时,都有 xn>0x_n > 0(或 xn<0x_n < 0)。


1.3 函数的极限#

1.3.1 自变量趋向无穷大的极限#

定义(ε−X\varepsilon-X 语言):如果对于任意给定的 ε>0\varepsilon > 0,总存在正数 XX,使得当 ∣x∣>X|x| > X 时,都有 ∣f(x)−A∣<ε|f(x) - A| < \varepsilon,则称常数 AA 为函数 f(x)f(x) 当 x→∞x \to \infty 时的极限,记作 lim⁡x→∞f(x)=A\lim_{x \to \infty} f(x) = A


1.3.2 自变量趋向有限值的极限#

定义(ε−δ\varepsilon-\delta 语言):设函数 f(x)f(x) 在点 x0x_0 的某个去心邻域内有定义。如果对于任意给定的 ε>0\varepsilon > 0,总存在 δ>0\delta > 0,使得当 0<∣x−x0∣<δ0 < |x - x_0| < \delta 时,都有 ∣f(x)−A∣<ε|f(x) - A| < \varepsilon,则称常数 AA 为函数 f(x)f(x) 当 x→x0x \to x_0 时的极限,记作 lim⁡x→x0f(x)=A\lim_{x \to x_0} f(x) = A


1.3.3 单侧极限#

左极限:lim⁡x→x0−f(x)=A\lim_{x \to x_0^-} f(x) = A

右极限:lim⁡x→x0+f(x)=A\lim_{x \to x_0^+} f(x) = A

极限存在定理:lim⁡x→x0f(x)=A  ⟺  lim⁡x→x0−f(x)=lim⁡x→x0+f(x)=A\lim_{x \to x_0} f(x) = A \iff \lim_{x \to x_0^-} f(x) = \lim_{x \to x_0^+} f(x) = A


1.4 无穷小与无穷大#

1.4.1 无穷小#

定义:如果 lim⁡x→x0(x→∞)f(x)=0\lim_{\substack{x \to x_0 \\ (x \to \infty)}} f(x) = 0,则称函数 f(x)f(x) 为当 x→x0x \to x_0(或 x→∞x \to \infty)时的无穷小。


1.4.2 无穷大#

定义:如果对于任意给定的 M>0M > 0,总存在 δ>0\delta > 0(或 X>0X > 0),使得当 0<∣x−x0∣<δ0 < |x - x_0| < \delta(或 ∣x∣>X|x| > X)时,都有 ∣f(x)∣>M|f(x)| > M,则称函数 f(x)f(x) 为当 x→x0x \to x_0(或 x→∞x \to \infty)时的无穷大,记作 lim⁡x→x0(x→∞)f(x)=∞\lim_{\substack{x \to x_0 \\ (x \to \infty)}} f(x) = \infty


1.4.3 无穷小与无穷大的关系#

定理:在同一变化过程中,


1.4.4 极限与无穷小的关系#

定理:lim⁡f(x)=A  ⟺  f(x)=A+α(x)\lim f(x) = A \iff f(x) = A + \alpha(x),其中 α(x)\alpha(x) 为无穷小。


1.5 极限运算法则#

1.5.1 极限的四则运算法则#

设 lim⁡f(x)=A\lim f(x) = A,lim⁡g(x)=B\lim g(x) = B,则

和差法则:lim⁡[f(x)±g(x)]=A±B\lim [f(x) \pm g(x)] = A \pm B

乘积法则:lim⁡[f(x)⋅g(x)]=A⋅B\lim [f(x) \cdot g(x)] = A \cdot B

常数乘积法则:lim⁡[C⋅f(x)]=C⋅A\lim [C \cdot f(x)] = C \cdot A(CC 为常数)

商法则:lim⁡f(x)g(x)=AB\lim \frac{f(x)}{g(x)} = \frac{A}{B}(B≠0B \neq 0)

幂法则:lim⁡[f(x)]n=An\lim [f(x)]^n = A^n(nn 为正整数)


1.5.2 复合函数的极限运算法则#

定理:设函数 y=f(g(x))y = f(g(x)) 由函数 y=f(u)y = f(u) 与函数 u=g(x)u = g(x) 复合而成,若 lim⁡x→x0g(x)=u0\lim_{x \to x_0} g(x) = u_0,且在 x0x_0 的某去心邻域内 g(x)≠u0g(x) \neq u_0,又 lim⁡u→u0f(u)=A\lim_{u \to u_0} f(u) = A,则 lim⁡x→x0f(g(x))=lim⁡u→u0f(u)=A\lim_{x \to x_0} f(g(x)) = \lim_{u \to u_0} f(u) = A


1.6 极限存在准则与两个重要极限#

1.6.1 夹逼准则#

定理:如果对于 x0x_0 的某去心邻域内的所有 xx,都有 g(x)≤f(x)≤h(x)g(x) \leq f(x) \leq h(x),且 lim⁡x→x0g(x)=lim⁡x→x0h(x)=A\lim_{x \to x_0} g(x) = \lim_{x \to x_0} h(x) = A,则 lim⁡x→x0f(x)=A\lim_{x \to x_0} f(x) = A。


1.6.2 单调有界准则#

定理:单调有界数列必有极限。


1.6.3 两个重要极限#

第一个重要极限: lim⁡x→0sin⁡xx=1\lim_{x \to 0} \frac{\sin x}{x} = 1

第二个重要极限: lim⁡x→∞(1+1x)x=e或lim⁡x→0(1+x)1x=e\lim_{x \to \infty} \left(1 + \frac{1}{x}\right)^x = e \quad \text{或} \quad \lim_{x \to 0} (1 + x)^{\frac{1}{x}} = e


1.7 无穷小的比较#

1.7.1 无穷小的阶#

定义:设 α\alpha 和 β\beta 是同一变化过程中的两个无穷小。

高阶无穷小:若 lim⁡βα=0\lim \frac{\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)。

低阶无穷小:若 lim⁡βα=∞\lim \frac{\beta}{\alpha} = \infty,则称 β\beta 是比 α\alpha 低阶的无穷小。

同阶无穷小:若 lim⁡βα=c≠0\lim \frac{\beta}{\alpha} = c \neq 0,则称 β\beta 与 α\alpha 是同阶无穷小。

等价无穷小:若 lim⁡βα=1\lim \frac{\beta}{\alpha} = 1,则称 β\beta 与 α\alpha 是等价无穷小,记作 α∼β\alpha \sim \beta。


1.7.2 常用等价无穷小(x→0x \to 0 时)#

sin⁡x∼xtan⁡x∼xarcsin⁡x∼xarctan⁡x∼xln⁡(1+x)∼xex−1∼x1−cos⁡x∼12x2(1+x)α−1∼αx\begin{aligned} &\sin x \sim x \\ &\tan x \sim x \\ &\arcsin x \sim x \\ &\arctan x \sim x \\ &\ln(1 + x) \sim x \\ &e^x - 1 \sim x \\ &1 - \cos x \sim \frac{1}{2}x^2 \\ &(1 + x)^\alpha - 1 \sim \alpha x \end{aligned}

1.8 函数的连续性与间断点#

1.8.1 函数连续的定义#

定义:设函数 f(x)f(x) 在点 x0x_0 的某个邻域内有定义。如果 lim⁡x→x0f(x)=f(x0)\lim_{x \to x_0} f(x) = f(x_0),则称函数 f(x)f(x) 在点 x0x_0 处连续。


1.8.2 间断点的分类#

第一类间断点:左右极限 f(x0−)f(x_0^-) 和 f(x0+)f(x_0^+) 都存在的间断点。

第二类间断点:左右极限至少有一个不存在的间断点。


1.9 连续函数的运算与初等函数的连续性#

1.9.1 连续函数的运算#

定理:

  1. 有限个连续函数的和、差、积、商(分母不为零)仍为连续函数
  2. 连续函数的复合函数仍为连续函数
  3. 单调连续函数的反函数仍为连续函数

1.9.2 初等函数的连续性#

定理:一切初等函数在其定义区间内都是连续的。


1.10 闭区间上连续函数的性质#

1.10.1 最值定理#

定理:在闭区间 [a,b][a, b] 上连续的函数 f(x)f(x) 必有最大值和最小值。


1.10.2 有界性定理#

定理:在闭区间 [a,b][a, b] 上连续的函数 f(x)f(x) 必有界。


1.10.3 介值定理#

定理:设函数 f(x)f(x) 在闭区间 [a,b][a, b] 上连续,且 f(a)=Af(a) = A,f(b)=Bf(b) = B(A≠BA \neq B),则对于 AA 与 BB 之间的任意值 μ\mu,存在 ξ∈(a,b)\xi \in (a, b),使得 f(ξ)=μf(\xi) = \mu。


1.10.4 零点定理#

定理:设函数 f(x)f(x) 在闭区间 [a,b][a, b] 上连续,且 f(a)⋅f(b)<0f(a) \cdot f(b) < 0,则在 (a,b)(a, b) 内至少存在一点 ξ\xi,使得 f(ξ)=0f(\xi) = 0。