第4讲函数极限及性质_32函数极限性质

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《数学分析I》第4讲教案

第4讲函数极限概念及其性质

讲授内容

一、x趋于时函数的极限

例如，对于函数f(x)

1x，当x无限增大时，函数值无限地接近于0；而对于函数g(x)=arctanx，则



2当x趋于+时函数值无限地接近于．

定义1设f为定义在[a,)上的函数，A为定数．若对任给的>0，存在正数M(a)，使得当x>M时有 |f(x)A|

则称函数f当x趋于+时以A为极限，记作limf(x)A.x

定义1的几何意义如图3—1所示，对任给的>0，在坐标平面上平行

于x轴的两条直线)yA与yA，围成以直线yA为中心线、宽为2的带形区域；定义中的“当x>M时有|f(x)A|”表示：在直线xM的右方，曲线y=f(x)全部落在这个带形区域之内．如果正

数给得小一点，即当带形区域更窄一点，那么直线xM一般要往右平移；但无论带形区域如何窄，总存在这样的正数M，使得曲线yf(x)在直线xM的右边部分全部落在这更窄的带形区域内.limf(x)A或 f(x)A(x)；

x

limf(x)A或f(x)A(x).x

这两种函数极限的精确定义与定义1相仿，只须把定义1中的“xM”分别改为“xM或”xM“．不难证明：若f为定义在U()上的函数，则limf(x)Alimf(x)limf(x)A

x

x

x

例1 证明lim

1x

x

0

证：任给0，取

，则当：x时有



1x

0

1x



1

，所以lim

1x

x

0。

例2证明：（1）limarctanx

x,(2)limarctanx

x



.注：当x时arctanx不存在极限．

二、x趋于x0时函数的极限

定义2(函数极限的定义)设函数f在点x0的某个空心邻域U(x0;)内有定义，为定数．若

'

对任给的0存在正数()，使得当0xx0时有 f(x)，则称函数f当x趋于x0。

'

时以为极限，记作limf(x)或f(x)(xx0)

xx0

举例说明如何应用定义来验证这种类型的函数极限．特别讲清以下各例中的值是怎样确定的．

例3设f(x)

x4x

2，证明limf(x)4.x2

证：由于当x2时，f(x)4

x4x2

4x24x2，故对给定的0，只要取，则当0x2时有f(x)4，这就证明了limf(x)

4x2

例4证明：limsinxsinx0;limcosxcosx0

xx0

xx0

证：先建立一个不等式：当0x



时有sinxxtanx(1)

事实上，在如图32的单位圆内，当0x

时，显然有

SOCDS扇形OADSOAB即又当x



sinx

x

tanx，由此立得(1)式．

时有sinx1x，故对一切x0都有sinxx，当x0时，由sin(x)x得sinxx综上，我们得到不等式sinxx,xR，其中等号仅当x0时

xx0

xx0

成立．而sinxsinx02cos

sin

xx0．

对任给的0,只要取，则当0xx0时，就有sinxsinx0．

所以limsinxsinx0.可用类似方法证明limcosxcosx0

xx0

xx0

例证明lim

x12xx

1x1



3．x132x1

证：当x1时有

x12xx1





x12x1





若限制x于0x11（此时x0）则2x11，于是，对任给的0只要取min{3,1}，则当

x12xx1

0x1时，便有



x13

．

例6证明

xx0

limx



x0(x01)

证：由于x1,x01 因此xx



x0x1x

x



xx0xx0

x



2xx0x

于是，对任给的0（不妨设01）取 

x02

，则当0xx0时，就有1xx0．

关于函数极限的定义的几点说明：

（1）定义2中的正数，相当于数列极限定义中的，它依赖于，但也不是由所惟一确定．一



般来说，愈小，也相应地要小一些，而且把取得更小些也无妨．如在例3中可取或等等．

（2）定义中只要求函数f在x0的某一空心邻域内有定义，而一般不考虑f在点x0处的函数值是否有定义，或者取什么值．这是因为，对于函数极限我们所研究的是当x趋于x0过程中函数值的变化趋势．如在例3中，函数f在点x2是没有定义的，但当x2时f的函数值趋于一个定数．

（3）定义2中的不等式0xx0等价于xU

x0;,，而不等式

fx等价于

fxU;．

下面我们讨论单侧极限．

x2,x0

例如，函数 fx(I)

x,x0

当x0而趋于0时，应按fxx2来考察函数值的变化趋势；当x0而趋于0时，则应按fxx.定义3设函数f在Ux0;

'

或Ux

0

;

'

内有定义，为定数．若对任给的

0，存在正数



'

，使得当x

xx0,



x0xx0时有fx

则称数为函数f当x趋于x0(或x0)时的右(左)极限，记作



limfxlimfx或fxxx0fxxx0

xx0





xx0









右极限与左极限统称为单侧极限．f在点x0的右极限与左极限又分别记为fx00limfx与fx00limfx

xx0





xx0

按定义3容易验证函数(I)在x0处的左、右极限分别为f00limfxlimx0，f00lim

x0



x0



fxlimx



0

x0

x0

同样还可验证符号函数sgnx在x0处的左、右极限分别为limsgnxlim11,limsgnxlim1

1x0



x0



x0



x0



定理3.1limfxlimfxlimfx

xx0

xx0



xx0



三、函数极限的性质

定理3.2(唯一性)若极限limfx存在，则此极限是唯一的．

xx0

证：设,都是f当xx0时的极限，则对任给的0，分别存在正数1与2，使得： 当0xx01时有fx，(1)当0xx02时有fx，(2)取min1,2，则当0xx0时，(1)式与(2)式同时成立，故有(fx)fxfxfx2由的任意性得，这就证明了极限是唯一的.定理3.3（局部有限性）若limfx存在，则f在x0的某空心邻域U

xx0

x0内有界．

证：设limfx．取1，则存在0使得对一切xU

xx0

x0;有

x0;内有界．

fx1fx1，这就证明了f在U

定理3.4(局部保号性)若limfx0(或0)，则对任何正数r（或r)，存在xx0

U

x0，使得对一切xU0x0有 fx

r0（或fxr0）

证：设0，对任何r(0,)，取r，则存在0，使得对一切xUfxr，这就证得结论．对于0的情形可类似地证明．

x0;

注：在以后应用局部保号性时，常取r

A2

．

定理3.5(保不等式性)设limfx与都limgx都存在，且在某邻域U

xx0

xx0

x

;

'

内有fxgx则

xx0

limfxlimgx

xx0

证：设limfx=，limgx=，则对任给的0，分别存在正数1与2使得当0xx01

xx0

xx0

时有fx，当0xx02 时有gx，令min,1,2，则当0xx0时，有fxgx，'

从而2．由的任意性推出，即limfxlimgx成立．

xx0

xx0