极限

  • 数列的极限
    • 定义
      • 设数列 {an}\{a_n\},AA 是一常数,如果对于任意给定的正数 ε\varepsilon,都存在正数 NN,使得当 n>Nn>N 时,恒有 ∣an−A∣<ε|a_n-A|<\varepsilon 成立,则称数列 {an}\{a_n\} 以 AA 为极限,或者称数列 {an}\{a_n\} 收敛于 AA,记作 lim⁡n→∞an=A\lim\limits_{n\to \infty} a_n=A 或 an→A(n→∞)a_n\to A(n\to \infty)。如果数列 {an}\{a_n\} 没有极限,则称数列 {an}\{a_n\} 是发散的。
      • NN 与一般给定的 ε\varepsilon 有关。
      • ε−N\varepsilon-N 语言:若 ∀ε>0\forall \varepsilon>0,∃N>0\exists N>0,当 n>Nn>N 时,恒有 ∣an−A∣<A|a_n-A|<A,则 lim⁡n→∞an=A\lim\limits_{n\to \infty}a_n=A。
    • 数列极限与子列极限的关系
      • 如果 lim⁡n→∞an=A\lim\limits_{n\to \infty} a_n=A,则对于任意 {an}\{a_n\} 的子列 {ynk}\{y_{n_k}\},lim⁡k→∞ynk=A\lim\limits_{k\to \infty} y_{n_k}=A。
      • 由逆否命题可知,如果某个数列的子列发散或两个子列收敛于不同的极限,则该数列发散。
  • 函数的极限
    • 定义
      • (x→∞x\to \infty)设函数 f(x)f(x) 在区间 (−∞,b]∪[a,+∞)(-\infty,b]\cup [a,+\infty) 上有定义,AA 是一常数,如果对于任意给定的正数 ε\varepsilon,都存在正数 NN,使得当 ∣x∣>N|x|>N 时,恒有 ∣f(x)−A∣<ε|f(x)-A|<\varepsilon 成立,则 AA 叫做函数 f(x)f(x) 当 x→∞x\to \infty 时的极限,记作 lim⁡x→∞=A\lim\limits_{x\to \infty} = A,或 f(x)→A(x→∞)f(x)\to A(x\to \infty)。
      • 同理还有 x→+∞x\to +\infty 和 x→−∞x\to -\infty 时的情况,这三种情况都是 xx 趋于无穷大时的情况,不同之处仅在 xx 的趋势。
      • (x→x0x\to x_0)设函数 f(x)f(x) 在某去心邻域上有定义,AA 是一常数,如果对于任意给定的正数 ε\varepsilon,都存在正数 δ\delta,使得当 0<∣x−x0∣<δ0<|x-x_0|<\delta 时,恒有 ∣f(x)−A∣<ε|f(x)-A|<\varepsilon 成立,则 AA 叫做函数 f(x)f(x) 当 x→x0x\to x_0 时的极限,记作 lim⁡x→x0=A\lim\limits_{x\to x_0} = A,或 f(x)→A(x→x0)f(x)\to A(x\to x_0)。
      • 同理还有 x→x0−x\to x_0^- 和 x→x0+x\to x_0^+,分别表示从 x0x_0 左边和右边趋近的情况。
    • 函数极限存在的条件
      • lim⁡x→∞f(x)=A\lim\limits_{x\to \infty}f(x)=A 的充要条件是 lim⁡x→−∞f(x)=A\lim\limits_{x\to -\infty}f(x)=A 且 lim⁡x→+∞f(x)=A\lim\limits_{x\to +\infty}f(x)=A。
        • 计算 lim⁡x→∞f(x)=A\lim\limits_{x\to \infty}f(x)=A 要注意两个趋向下的极限是否相同。
      • lim⁡x→x0f(x)=A\lim\limits_{x\to x_0}f(x)=A 的充要条件是 lim⁡x→x0−f(x)=A\lim\limits_{x\to x_0^-}f(x)=A 且 lim⁡x→x0+f(x)=A\lim\limits_{x\to x_0^+}f(x)=A。
  • 性质
    • 唯一性
      • 如果极限存在,则极限唯一。
      • 函数的情况同理。
    • 有界性 / 局部有界性
      • 如果数列 {an}\{a_n\} 收敛,则 {an}\{a_n\} 一定有界,即 ∃M>0\exists M>0,使得 ∀n\forall n,都有 ∣an∣≤M|a_n|\le M。
      • 有界是数列收敛的必要条件。
      • 函数的情况同理。
    • 保号性 / 局部保号性
      • 如果 lim⁡n→∞an=A\lim\limits_{n\to \infty} a_n=A 且 A>0A>0(或 A<0A<0),则 ∃N>0\exists N>0,当 n>Nn>N 时,都有 an>0a_n>0(或 an<0a_n<0)。
      • 推论:如果 lim⁡n→∞an=A\lim\limits_{n\to \infty} a_n=A 且 A≠0A\ne 0,则 ∃N>0\exists N>0,当 n>Nn>N 时,都有 ∣an∣>∣A∣2|a_n|>\frac{|A|}{2}。
      • 函数的情况同理。
    • 保序性
      • 若 lim⁡n→∞an=A\lim\limits_{n\to \infty} a_n=A 且当 n>Nn>N 时,an≥0a_n\ge 0(或 an≤0a_n\le 0),则 A≥0A\ge 0(或 A≤0A\le 0)。
      • 推论:若 lim⁡n→∞an=A,lim⁡n→∞bn=B\lim\limits_{n\to \infty} a_n=A,\lim\limits_{n\to \infty} b_n=B 且当 n>Nn>N 时,an≥bna_n\ge b_n,则 A≥BA\ge B。
      • 注意 an>bna_n>b_n 也满足条件,但 A>BA>B 却不一定成立,后面的等号不能去掉。
      • 函数的情况同理。
    • 归并性
      • lim⁡x→x0f(x)=A\lim\limits_{x\to x_0} f(x)=A(或 ∞\infty)的充要条件是,对任意数列 {an}\{a_n\} 满足 an≠x0a_n\ne x_0 且 ana_n 在 f(x)f(x) 的定义域内,只要 lim⁡n→∞an=x0\lim\limits_{n\to \infty} a_n=x_0,则有lim⁡n→∞f(an)=A\lim\limits_{n\to \infty} f(a_n)=A(或 ∞\infty)。
      • lim⁡x→∞f(x)=A\lim\limits_{x\to \infty} f(x)=A(或 ∞\infty)的充要条件是,对任意数列 {an}\{a_n\},只要 lim⁡n→∞an=∞\lim\limits_{n\to \infty} a_n=\infty,则有lim⁡n→∞f(an)=A\lim\limits_{n\to \infty} f(a_n)=A(或 ∞\infty)。
      • 其他情况同理。
  • 运算
    • 四则运算
      • 若 lim⁡f(x)=A,lim⁡g(x)=B\lim f(x)=A,\lim g(x)=B,则有:
        • lim⁡[f(x)±g(x)]=A±B\lim [f(x)\pm g(x)]=A\pm B
        • lim⁡f(x)g(x)=AB\lim f(x)g(x)=AB
        • lim⁡f(x)g(x)=AB\lim\frac{f(x)}{g(x)}=\frac{A}{B},其中 B≠0B\ne 0
      • 运用以上规则时要注意极限存在,否则不可以使用。
      • 对于两个极限的加减,若其中一个有极限,另外一个没有极限,则结果没有极限。
      • 对于两个极限相乘,若其中一个极限不为 00,另外一个没有极限,则结果没有极限。
    • 初等函数
      • 若 f(x)f(x) 是初等函数,且 x0x_0 为定义域内的点,则 lim⁡x→x0f(x)=f(x0)\lim\limits_{x\to x_0} f(x)=f(x_0)。
    • 分式函数
      • lim⁡x→∞a0xm+a1xm−1+⋯+amb0xn+b1xn−1+⋯+bn={a0b0,m=n0,m<n∞,m>1n\lim\limits_{x\to \infty} \frac{a_0x^m+a_1x^{m-1}+\cdots +a_m}{b_0x^n+b_1x^{n-1}+\cdots+b_n}=\begin{cases}\frac{a_0}{b_0}, & m=n \\0, & m < n \\ \infty, & m >1 n \\ \end{cases}
    • 复合函数
      • lim⁡u→u0f(u)=A\lim\limits_{u\to u_0} f(u)=A(或 ∞\infty),lim⁡x→x0g(x)=u0\lim\limits_{x\to x_0} g(x)=u_0,且在 x0x_0 的某去心邻域内有 g(x)≠u0g(x)\ne u_0,则 lim⁡x→x0(f∘g)(x)=A\lim\limits_{x\to x_0} (f \circ g)(x)=A(或 ∞\infty)。
  • 定理
    • 夹逼定理
      • 如果在点 x0x_0 的某个去心邻域内,有 g(x)≤f(x)≤h(x)g(x)\le f(x)\le h(x),且 lim⁡x→x0g(x)=lim⁡x→x0h(x)=A\lim\limits_{x\to x_0} g(x)=\lim\limits_{x\to x_0} h(x)=A,则 lim⁡x→x0f(x)=A\lim\limits_{x\to x_0} f(x)=A。
      • 如果 ∃N>0\exists N>0,当 ∣x∣>N|x|>N 时,有 g(x)≤f(x)≤h(x)g(x)\le f(x)\le h(x),且 lim⁡x→∞g(x)=lim⁡x→∞h(x)=A\lim\limits_{x\to \infty} g(x)=\lim\limits_{x\to \infty} h(x)=A,则 lim⁡x→∞f(x)=A\lim\limits_{x\to \infty} f(x)=A。
    • 单调有界定理
      • 如果数列 {an}\{a_n\} 单调递增且有上界,则 lim⁡x→∞an\lim\limits_{x\to \infty} a_n 一定存在。如果数列 {an}\{a_n\} 单调递减且有下界,则 lim⁡x→∞an\lim\limits_{x\to \infty} a_n 一定存在。
    • 绝对值性质
      • 若 lim⁡n→∞an=A\lim\limits_{n\to \infty} a_n=A,则 lim⁡n→∞∣an∣=∣A∣\lim\limits_{n\to \infty} |a_n|=|A|。
      • 若 lim⁡n→∞∣an∣=0\lim\limits_{n\to \infty} |a_n|=0,则 lim⁡n→∞an=0\lim\limits_{n\to \infty} a_n=0。
  • 重要极限
    • lim⁡x→0sin⁡xx=1\lim\limits_{x\to 0}\frac{\sin x}{x}=1
    • lim⁡x→∞(1+1x)x=lim⁡x→0(1+x)1x=e\lim\limits_{x\to \infty} \left(1+\frac{1}{x}\right)^x = \lim\limits_{x\to 0} \left(1+x\right)^{\frac{1}{x}}=e