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第二章:极限与导数

《斯图尔特微积分》第二章:极限与导数读书笔记。本章从切线与瞬时速度两个经典问题出发,引入极限语言,再用极限严格定义连续性和导数。它是从函数走向微分学的关键一步。

本章地图​

小节核心问题需要掌握的内容
2.1 切线问题和速度问题为什么需要极限?割线、切线、平均速度、瞬时速度
2.2 函数的极限函数靠近一点时会发生什么?数值观察、图像观察、单侧极限、无穷极限
2.3 利用极限运算法则求极限怎样系统计算极限?极限运算法则、直接代入、夹逼定理
2.4 极限的严格定义怎样精确表达“任意接近”?ε\varepsilon-δ\delta 定义、单侧极限、无穷极限
2.5 连续性什么时候函数没有断裂?点连续、区间连续、连续函数性质、中值定理
2.6 无穷远处的极限与水平渐近线函数的长期趋势是什么?无穷远极限、水平渐近线、无穷增长
2.7 导数和变化率如何描述瞬时变化?切线斜率、速度、导数定义、变化率
2.8 导函数如何把每一点的导数组成函数?导函数、不可微点、高阶导数

2.1 切线问题和速度问题​

切线问题​

  • “切线”(tangent)一词源于拉丁文“接触”(tangens)。
  • 欧几里得这样描述:切线是一条与这个圆相交一次且只有一次的直线。
  • “割线”(secant)一词源于拉丁文“切割”(secans),是一条与曲线相交不止一次的直线。
  • 我们称切线斜率为这些割线斜率的极限,用符号表示为: lim⁡Q→PmPQ=m\lim_{ Q \to P }m_{PQ}=m

速度问题​

  • 伽利略通过实验发现,对于任何做自由落体运动的物体,其下落的距离与下落的时间的平方成正比(忽略空气阻力),如果用s(t)s(t) 表示物体下落tsts 后的距离(单位:m),那么(在地球表面)伽利略的观测结果可以表示为: s(t)=4.9t2s(t)=4.9t^2

2.2 函数的极限​

求极限的数值方法和图像方法​

  • 极限的直观定义:假设当 xx 在 aa 附近时,函数 f(x)f(x) 有定义 lim⁡x→af(x)=L\lim_{ x \to a } f(x)=L

  • 读作:“当 xx 趋于 aa 时,函数 f(x)f(x) 极限等于LL ”,表示可以通过让 xx 足够接近aa (在 aa 的两侧均可)但不等于 aa ,是的 f(x)f(x) 任意地接近LL 。

单侧极限​

重点
  • 左极限:如果让 xx 从小于 aa 的一侧充分接近 aa,可以使 f(x)f(x) 任意接近 LL,就称 f(x)f(x) 在 x→ax\to a 时的左极限为 LL,记作
lim⁡x→a−f(x)=L\lim_{x\to a^-}f(x)=L
  • 右极限:如果让 xx 从大于 aa 的一侧充分接近 aa,可以使 f(x)f(x) 任意接近 LL,就称 f(x)f(x) 在 x→ax\to a 时的右极限为 LL,记作
lim⁡x→a+f(x)=L\lim_{x\to a^+}f(x)=L
  • 双侧极限判定:双侧极限存在且等于 LL,当且仅当左右极限都存在并且都等于 LL:
lim⁡x→af(x)=L⟺{lim⁡x→a−f(x)=L,lim⁡x→a+f(x)=L.\lim_{x\to a}f(x)=L \quad\Longleftrightarrow\quad \begin{cases} \displaystyle\lim_{x\to a^-}f(x)=L,\\[4pt] \displaystyle\lim_{x\to a^+}f(x)=L. \end{cases}

极限怎么会不存在​

极限不存在

如果 x=ax=a 处的左极限与右极限不相等,那么 lim⁡x→af(x)\lim_{x\to a}f(x) 不存在。

  • 特殊的:
lim⁡x→0sin⁡πx不存在\lim_{x\to 0}\sin\frac{\pi}{x} \quad\text{不存在}
  • 因为当 xx 趋于 00 时 f(x)f(x) 不趋于一个固定的数值。
  • 注意:猜测极限值是存在陷阱的!

无穷极限和垂直渐近线​

  • 无穷极限的直观定义:
  • 设 ff 是一个函数,它在 aa 的两侧都有定义,但在 aa 处本身可能没有定义,那么

lim⁡x→af(x)=+∞\lim_{ x \to a } f(x)=+\infty

  • 表示当 xx 足够接近 aa 但不等于 aa 时,f(x)f(x) 可以变得任意大(要多大有多大)。

  • 经常读作:当 xx 趋于 aa 时,f(x)f(x) 的极限是无穷大 / f(x)f(x) 无穷大。

  • 设 ff 是一个函数,它在 aa 的两侧都有定义,但在 aa 处本身可能没有定义,那么

lim⁡x→af(x)=−∞\lim_{ x \to a } f(x)=-\infty

  • 表示当 xx 足够接近 aa 但不等于 aa 时,f(x)f(x) 可以变成绝对值任意大的负数。

  • 经常读作:当 xx 趋于 aa 时,f(x)f(x) 的极限是负无穷大 / f(x)f(x) 负无穷大。

  • 垂直渐近线定义:如果下面六种情况中至少有一种成立,就称直线 x=ax=a 是曲线 y=f(x)y=f(x) 的垂直渐近线。

lim⁡x→af(x)=+∞\lim_{x\to a}f(x)=+\infty lim⁡x→af(x)=−∞\lim_{x\to a}f(x)=-\infty lim⁡x→a−f(x)=+∞\lim_{x\to a^-}f(x)=+\infty lim⁡x→a+f(x)=+∞\lim_{x\to a^+}f(x)=+\infty lim⁡x→a−f(x)=−∞\lim_{x\to a^-}f(x)=-\infty lim⁡x→a+f(x)=−∞\lim_{x\to a^+}f(x)=-\infty
  • 关于f(x)=tan⁡xf(x)=\tan x 的垂直渐近线: lim⁡x→(π2)−tan⁡x=+∞\lim_{ x \to \left( \frac{\pi}{2} \right)^- } \tan x=+\infty lim⁡x→(π2)+tan⁡x=−∞\lim_{ x \to \left( \frac{\pi}{2} \right)^+ } \tan x=-\infty

  • 关于 y=ln⁡xy=\ln x 的垂直渐近线:

lim⁡x→0+ln⁡x=−∞\lim_{x\to 0^+}\ln x=-\infty

2.3 利用极限运算法则求极限​

极限的性质​

重点
  • 极限运算法则:假设 cc 是一个常数,且极限 lim⁡x→af(x)\lim_{ x \to a }f(x) 和 lim⁡x→ag(x)\lim_{ x \to a }g(x) 都存在,那么

和法则

lim⁡x→a[f(x)+g(x)]=lim⁡x→af(x)+lim⁡x→ag(x)\lim_{x\to a}[f(x)+g(x)] =\lim_{x\to a}f(x)+\lim_{x\to a}g(x)

差法则

lim⁡x→a[f(x)−g(x)]=lim⁡x→af(x)−lim⁡x→ag(x)\lim_{x\to a}[f(x)-g(x)] =\lim_{x\to a}f(x)-\lim_{x\to a}g(x)

常数倍法则

lim⁡x→a[cf(x)]=clim⁡x→af(x)\lim_{x\to a}[cf(x)] =c\lim_{x\to a}f(x)

乘积法则

lim⁡x→a[f(x)g(x)]=(lim⁡x→af(x))(lim⁡x→ag(x))\lim_{x\to a}[f(x)g(x)] =\left(\lim_{x\to a}f(x)\right) \left(\lim_{x\to a}g(x)\right)

商法则

lim⁡x→af(x)g(x)=lim⁡x→af(x)lim⁡x→ag(x)\lim_{x\to a}\frac{f(x)}{g(x)} = \frac{\displaystyle\lim_{x\to a}f(x)} {\displaystyle\lim_{x\to a}g(x)}

商法则要求

lim⁡x→ag(x)≠0\lim_{x\to a}g(x)\neq 0
  • 这五个法则也可以用文字描述:

    1. 和的极限等于极限的和。
    2. 差的极限等于极限的差。
    3. 函数的常数倍的极限等于函数的极限的常数倍。
    4. 积的极限等于极限的积。
    5. 商的极限等于极限的商。(分母的极限不是0)
  • 幂法则:lim⁡x→a[f(x)]n=[lim⁡x→af(x)]n\lim_{ x \to a }[f(x)]^n=[\lim_{ x \to a }f(x)]^n ,其中 nn 是正整数。

  • 根法则:lim⁡x→af(x)n=lim⁡x→af(x)n\lim_{ x \to a }\sqrt[n]{ f(x) }=\sqrt[n]{ \lim_{ x \to a }f(x) } ,其中 nn 是正整数。

  • 四个特殊极限: lim⁡x→ac=c\lim_{ x \to a }c=c lim⁡x→ax=a\lim_{ x \to a }x=a lim⁡x→axn=an\lim_{ x \to a }x^n=a^n lim⁡x→axn=an\lim_{ x \to a }\sqrt[n]{ x }=\sqrt[n]{ a }

直接替换求极限​

  • 直接替换性质:如果 ff 是一个多项式或有理函数,aa在 ff 的定义域内,那么 lim⁡x→af(x)=f(a)\lim_{ x \to a } f(x)=f(a)

  • 函数转化求极限:如果当 x≠ax\neq a 且 xx 在 aa 附近时总有 f(x)=g(x)f(x)=g(x),那么

    lim⁡x→af(x)=lim⁡x→ag(x)\lim_{x\to a}f(x)=\lim_{x\to a}g(x)

    只要右侧极限存在。

利用单侧极限​

单侧极限判定定理
lim⁡x→af(x)=L⟺lim⁡x→a−f(x)=lim⁡x→a+f(x)=L\lim_{x\to a}f(x)=L \quad\Longleftrightarrow\quad \lim_{x\to a^-}f(x) = \lim_{x\to a^+}f(x) =L
  • 计算单侧极限时,极限法则同样适用。

夹逼定理​

  • 定理:如果当 xx 在 aa 附近时(除了在 aa 处)有 f(x)≤g(x)f(x)\leq g(x) ,并且当 xx 趋于 aa时 ff 和 gg 的极限都存在,那么 lim⁡x→af(x)≤g(x)\lim_{ x \to a }f(x)\leq g(x) 。
重点

夹逼定理:如果当 xx 在 aa 附近且 x≠ax\neq a 时,有

f(x)≤g(x)≤h(x)f(x)\leq g(x)\leq h(x)

并且

lim⁡x→af(x)=lim⁡x→ah(x)=L\lim_{x\to a}f(x) = \lim_{x\to a}h(x) =L

那么

lim⁡x→ag(x)=L\lim_{x\to a}g(x)=L

2.3 习题​

题目 1​

题目

已知:lim⁡x→2f(x)=4,lim⁡x→2g(x)=−2,lim⁡x→2h(x)=0\lim_{ x \to 2 }f(x)=4,\lim_{ x \to 2 }g(x)=-2,\lim_{ x \to 2 }h(x)=0 ,求 lim⁡x→2[f(x)+5g(x)+h(x)3]\lim_{ x \to 2 }[f(x)+5g(x)+h(x)^3] 。

解答

原式= lim⁡x→2f(x)+5lim⁡x→2g(x)+[lim⁡x→2h(x)]3\lim_{ x \to 2 }f(x)+5\lim_{ x \to 2 }g(x)+[\lim_{ x \to 2 }h(x)]^3

=4+5×(−2)+034+5\times (-2)+0^3

=−6-6

利用极限的运算法则计算极限:

题目 2​

题目

求极限:lim⁡x→5(4x2−5x)\lim_{ x \to 5 }(4x^2-5x)

解答

4lim⁡x→5x2−5lim⁡x→5x=4×52−5×5=100−25=754\lim_{ x \to 5 }x^2-5\lim_{ x \to 5 }x=4\times 5^2-5\times 5=100-25=75

题目 3​

题目

求极限:lim⁡x→−3(2x3+6x2−9)\lim_{ x \to -3 }(2x^3+6x^2-9)

解答

2lim⁡x→−3x3+6lim⁡x→−3x2−9=−2×33+6×32−92\lim_{ x \to -3 }x^3+6\lim_{ x \to -3 }x^2-9=-2\times 3^3+6\times 3^2-9

=−54+54−9=−9-54+54-9=-9

题目 4​

题目

求极限:lim⁡t→73t2+1t2−5t+2\lim_{ t \to 7 } \frac{3t^2+1}{t^2-5t+2}

解答

3×72+172−5×7+2=15816=798\frac{3\times 7^2+1}{7^2-5\times 7+2}=\frac{158}{16}=\frac{79}{8}

计算下列极限:

题目 5​

题目

计算: lim⁡t→4t2−2t−8t−4\lim_{ t \to 4 } \frac{t^2-2t-8}{t-4}

解答

分子分解因式:t2−2t−8=(t−4)(t+2)t^2-2t-8=(t-4)(t+2),约掉 t−4t-4 ,

lim⁡t→4(t+2)=4+2=6\lim_{ t \to 4 }(t+2)=4+2=6

技巧:分解因式+约分

题目 6​

题目

计算:lim⁡h→0(h−3)2−9h\lim_{ h \to 0 } \frac{(h-3)^2-9}{h}

解答

分子展开:(h−3)2−9=h2−6h+9−9=h2−6h(h-3)^2-9=h^2-6h+9-9=h^2-6h

约掉 hh ,lim⁡h→0(h−6)=−6\lim_{ h \to 0 }(h-6)=-6

技巧:展开+约分

题目 7​

题目

计算:lim⁡x→99−x3−x\lim_{ x \to 9 } \frac{9-x}{3-\sqrt{ x }}

解答

分母有理化(乘以共轭式),

lim⁡x→99−x3−x3+x3+x\lim_{ x \to 9 } \frac{9-x}{3-\sqrt{ x }} \frac{3+\sqrt{ x }}{3+\sqrt{ x }} =lim⁡x→9(9−x)(3+x)9−x\lim_{ x \to 9 } \frac{(9-x)(3+\sqrt{ x })}{9-x}

lim⁡x→9(3+x)=3+3=6\lim_{ x \to 9 }(3+\sqrt{ x })=3+3=6

技巧:有理化+约分

利用夹逼定理解题:

题目 8​

题目

如果对于 x≥0x\geq 0 ,有 4x−9≤f(x)≤x2−4x+74x-9\leq f(x)\leq x^2-4x+7 ,求 lim⁡x→4f(x)\lim_{ x \to 4 }f(x) 。

解答

由 4x−9≤f(x)≤x2−4x+74x-9\leq f(x)\leq x^2-4x+7,可知,

lim⁡x→4(4x−9)≤lim⁡x→4f(x)≤lim⁡x→4(x2−4x+7)\lim_{ x \to 4 }(4x-9)\leq \lim_{ x \to 4 }f(x)\leq \lim_{ x \to 4 }(x^2-4x+7)

lim⁡x→4(4x−9)=4×4−9=7\lim_{ x \to 4 }(4x-9)=4\times 4-9=7

lim⁡x→4(x2−4x+7)=42−4×4+7=7\lim_{ x \to 4 }(x^2-4x+7)=4^2-4\times 4+7=7

根据夹逼定理,

可得,lim⁡x→4f(x)=7\lim_{ x \to 4 }f(x)=7

题目 9​

题目

利用夹逼定理证明:lim⁡x→0x2cos⁡20πx=0\lim_{ x \to 0 }x^2\cos 20\pi x=0

解答

分析 cos⁡20πx\cos 20\pi x 的值域,可知,

−1≤cos⁡20πx≤1-1\leq \cos 20\pi x\leq 1 ,不等式两边同时乘以 x2x^2

−x2≤x2cos⁡20πx≤x2-x^2\leq x^2\cos 20\pi x \leq x^2

可知,lim⁡x→0(−x2)=0=lim⁡x→0(x2)\lim_{ x \to 0 }(-x^2)=0=\lim_{ x \to 0 }(x^2)

两端极限均为 00 ,根据夹逼定理,中间的极限也为 00 ,

即:lim⁡x→0x2cos⁡20πx=0\lim_{ x \to 0 }x^2\cos 20\pi x=0

利用同样的方法,也可以证明:lim⁡x→0x4cos⁡2x=0\lim_{ x \to 0 }x^4\cos \frac{2}{x}=0

题目 10​

题目

求极限:lim⁡x→−4(∣x+4∣−2x)\lim_{ x \to -4 }(|x+4|-2x)

解答

∣x+4∣|x+4| 在x→−4x\to -4 时,等于 00

lim⁡x→−4(−2x)=−4×(−2)=8\lim_{ x \to -4 }(-2x)=-4\times (-2)=8

题目 11​

题目

求极限:lim⁡x→−4∣x+4∣2x+8\lim_{ x \to -4 } \frac{|x+4|}{2x+8}

解答

当 x→−4x\to -4时,分母 2x+8=02x+8=0,不能直接运算

左极限:lim⁡x→−4−∣x+4∣2x+8=lim⁡x→−4−−(x+4)2x+8=−12\lim_{ x \to -4^- } \frac{|x+4|}{2x+8}=\lim_{ x \to -4^- } \frac{-(x+4)}{2x+8}=-\frac{1}{2}

右极限:lim⁡x→−4+∣x+4∣2x+8=lim⁡x→−4+x+42x+8=12\lim_{ x \to -4^+ } \frac{|x+4 |}{2x+8}=\lim_{ x \to -4^+ } \frac{x+4}{2x+8}= \frac{1}{2}

左极限 ≠\neq 右极限

极限不存在

题目 12​

题目

已知

B(t)={4−12t,t<2,t+c,t≥2.B(t)= \begin{cases} 4-\dfrac{1}{2}t, & t<2,\\ \sqrt{t+c}, & t\geq 2. \end{cases}

求使 lim⁡t→2B(t)\lim_{ t \to 2 }B(t) 存在的 cc 值。

解答

若极限存在,则左右极限必须相等,

左极限:lim⁡t→2−(4−12t)=4−1=3\lim_{ t \to 2^- }\left( 4-\frac{1}{2}t \right)=4-1=3

右极限:lim⁡t→2+t+c=2+c\lim_{ t \to 2^+ } \sqrt{ t+c }=\sqrt{ 2+c }

所以,2+c=3\sqrt{ 2+c }=3

c=7c=7

题目 13​

题目

求:是否存在一个数 aa ,使得:lim⁡x→−23x2+ax+a+3x2+x−2\lim_{ x \to -2 } \frac{3x^2+ax+a+3}{x^2+x-2} 极限存在,如果存在,求出 aa 的值和极限值。

解答

假设存在,分母因式分解,

x2+x−2=(x+2)(x−1)x^2+x-2=(x+2)(x-1)

在 x→−2x\to -2 时,分母趋于 00 ,因此分子也必须趋于 00 ,

将 x=−2x=-2 代入分子,得:3×(−2)2−2a+a+3=12−a+3=15−a=03\times (-2)^2-2a+a+3=12-a+3=15-a=0 ,

a=15a=15

原式= lim⁡x→−23x2+15x+15+3x2+x−2=lim⁡x→−23(x+2)(x+3)(x+2)(x−1)=lim⁡x→−23x+3x−1\lim_{ x \to -2 } \frac{3x^2+15x+15+3}{x^2+x-2}=\lim_{ x \to -2 } \frac{3(x+2)(x+3)}{(x+2)(x-1)}=\lim_{ x \to -2 }3 \frac{x+3}{x-1}

=3×−2+3−2−1=−1=3\times \frac{-2+3}{-2-1}=-1

所以,最终求得 a=15a=15 ,极限值为 −1-1 。


2.4 极限的严格定义​

  • 引言:我们之前给出的极限的直观定义是不充分的,因为诸如 “ xx 接近 22 ” 和 “ f(x)f(x) 越来越接近 LL ” 的表述都是不明确的,为了给出最终证明,我们必须使极限的定义更加严格。

极限的严格定义​

  • 定义:设 ff 为一个定义在某个包含 aa 的开区间上的函数(仅在 aa 处可能没有定义)。如果对于任意 ε>0\varepsilon>0 ,都存在 δ>0\delta>0 ,使得 如果0<∣x−a∣<δ ,则有∣f(x)−L∣<ε,\text{如果} 0 <|x-a|< \delta \text{ },\text{则有}|f(x)-L|<\varepsilon,
    • 那么我们就说当 xx 趋于 aa 时 f(x)f(x) 的极限是 LL ,记为 lim⁡x→af(x)=L\lim_{ x \to a } f(x)=L
重点
  • 描述 AA :lim⁡x→af(x)=L\lim_{ x \to a }f(x)=L 表示可以通过将 xx 与 aa 之间的距离变得足够小(但不为 00 ),来使 f(x)f(x) 与 LL 之间的距离变得任意小。
  • 描述 BB :lim⁡x→af(x)=L\lim_{ x \to a }f(x)=L 表示可以通过让 xx 与 aa 足够接近(但不等于 aa ),来使 f(x)f(x) 与 LL 任意接近。
  • 有趣的角度:在证明极限时,将极限的定义看作一场擂台挑战,这样做的话可能会有帮助(毕竟它很抽象嘛)。首先,ε\varepsilon 向你发起挑战,你必须拿出一个适合的 δ\delta 与之抗衡,你必须保证可以对付每一个 ε>0\varepsilon>0 ,而不是某个特定的 ε\varepsilon 。

单侧极限​

  • 左极限的严格定义:
    • 符号 lim⁡x→a−f(x)=L\lim_{ x \to a^- }f(x)=L 表示对于每个 ε>0\varepsilon>0 ,都存在 δ>0\delta>0, 使得 如果a−δ<x<a,则有∣f(x)−L∣<ε\text{如果}a-\delta <x<a,\text{则有}|f(x)-L|<\varepsilon
  • 右极限的严格定义:
    • 符号 lim⁡x→a+f(x)=L\lim_{ x \to a^+ }f(x)=L 表示对于每个 ε>0\varepsilon>0 ,都存在 δ>0\delta>0, 使得 如果a<x<a+δ,则有∣f(x)−L∣<ε\text{如果}a <x<a+\delta,\text{则有}|f(x)-L|<\varepsilon

极限的运算法则​

lim⁡x→a[f(x)+g(x)]=L+M\lim_{ x \to a } [f(x)+g(x)]=L+M

无穷极限​

  • 无穷极限的严格定义:设 ff 为一个定义在某个包含 aa 的开区间上的函数(仅在 aa 处可能没有定义)。那么符号 lim⁡x→af(x)=+∞\lim_{ x \to a }f(x)=+\infty 表示对于每个正数 MM ,都存在一个正数 δ\delta ,使得 如果0<∣x−a∣<δ,则有f(x)>M\text{如果} 0<|x-a|<\delta,\text{则有}f(x)>M
  • 另一个情况:设 ff 为一个定义在某个包含 aa 的开区间上的函数(仅在 aa 处可能没有定义)。那么符号 lim⁡x→af(x)=−∞\lim_{ x \to a }f(x)=-\infty 表示对于每个负数 NN ,都存在一个正数 δ\delta ,使得 如果0<∣x−a∣<δ,则有f(x)<N\text{如果} 0<|x-a|<\delta,\text{则有}f(x)<N

2.5 连续性​

  • 引言:当 xx 趋于 aa 时,函数的极限常常可以简单地通过计算函数在aa 处的值得到,具有这种性质的函数称为在 aa 处连续,我们会看到连续性的数学定义与“连续性”一词在日常用于中的含义非常接近,(连续过程是不间断地发生的过程。)

函数的连续性​

  • 定义:如果 lim⁡x→af(x)=f(a)\lim_{ x \to a }f(x)=f(a) ,则称函数 ff 在 aa 处连续。
重点

定义的三个条件:

  1. f(a)f(a) 有定义,即 aa 在 ff 的定义域内。
  2. lim⁡x→af(x)\lim_{ x \to a }f(x) 存在,即 ff 在 aa 处的极限存在。
  3. lim⁡x→af(x)=f(a)\lim_{ x \to a }f(x)=f(a)
  • 反之,称 ff 在 aa 处不连续,或称 ff 在 aa 处有一个间断。
  • 可去间断:一般是图像有洞,重新定义这一点的值就可以去掉间断。
  • 无穷间断:一般是图像有缝隙,存在垂直渐近线。
  • 跳跃间断:一般是图像存在阶梯,在某一点存在跳跃。
  • 函数 ff 在 aa 处右连续: lim⁡x→a+f(x)=f(a)\lim_{ x \to a^+ } f(x)=f(a)
  • 函数 ff 在 aa 处左连续: lim⁡x→a−f(x)=f(a)\lim_{ x \to a^- } f(x)=f(a)
  • 函数 ff 在一个区间上连续:函数在这个区间的每一个点处都连续。如果 ff 仅在端点的一侧有定义,那么在端点处连续表示右连续或左连续。

连续函数的性质​

  • 定理:如果函数 ff 和 gg 在 aa 处连续,且 cc 是一个常数,那么下面的函数也在 aa 处连续。
f+g,f−g,cf,fg,fg(其中 g(a)≠0)\begin{gathered} f+g,\qquad f-g,\qquad cf,\qquad fg,\\ \frac{f}{g}\quad\text{(其中 }g(a)\neq 0\text{)} \end{gathered}
  • 多项式连续定理:任意多项式都是处处连续的。
  • 有理函数连续定理:任意有理函数在每个有定义的点处都连续。
  • 拓展连续定理:以下类型的函数在其定义域上都是连续的。
    1. 多项式
    2. 有理函数
    3. 平方根函数
    4. 三角函数
    5. 反三角函数
    6. 指数函数
    7. 对数函数
  • 将两个连续函数构造称复合函数,可以得出以下结论,
    • 复合函数连续定理:
    • 如果 ff 在 bb 处连续且 lim⁡x→ag(x)=b\lim_{ x \to a }g(x)=b ,那么 lim⁡x→af(g(x))=f(b)\lim_{ x \to a }f(g(x))=f(b)
    • 如果函数 gg 在 aa 处连续且 ff 在 g(a)g(a) 处连续,那么复合函数 f⋅gf·g 在 aa 处连续,其中 (f⋅g)(x)=f(g(x))(f·g)(x)=f(g(x))
重点
  • 介值定理:假设 ff 在闭区间 [a,b][a,b] 上连续,NN 是 f(a)f(a) 和 f(b)f(b) 之间的任意一个数,f(a)≠f(b)f(a) \neq f(b) ,那么在 (a,b)(a,b) 内存在一个数 cc ,使得 f(c)=Nf(c)=N 。

  • 几何理解:如果将连续函数理解为它的图像没有洞或者缝隙,我们将很容易理解介值定理,用几何语言来说,如果给定介于 y=f(a)y=f(a) 和 y=f(b)y=f(b) 之间的任意一条水平线 y=Ny=N ,那么 ff 的图像不可能跳过这条线,它一定和 y=Ny=N 相交。

2.5 习题​

利用连续的定义和极限的性质证明函数在 aa 处是连续的。

题目 1​

题目

f(x)=3x2+(x+2)5,a=−1f(x)=3x^2+(x+2)^5,a=-1

解答

f(−1)=3×(−1)2+(−1+2)5=4f(-1)=3\times (-1)^2+(-1+2)^5=4

lim⁡x→−13x2+(x+2)5=3×(−1)2+(−1+2)5=4\lim_{ x \to -1 }3x^2+(x+2)^5=3\times (-1)^2+(-1+2)^5=4

因此,lim⁡x→−1f(x)=f(−1)\lim_{ x \to -1 }f(x)=f(-1) ,

所以,f(x)f(x) 在 a=−1a=-1 处连续

题目 2​

题目

g(t)=t2+5t2t+1,a=2g(t)= \frac{t^2+5t}{2t+1},a=2

解答

g(2)=22+5×22×2+1=145g(2)= \frac{2^2+5\times 2}{2\times 2+1}= \frac{14}{5}

lim⁡t→2t2+5t2t+1=22+5×22×2+1=145\lim_{ t \to 2 } \frac{t^2+5t}{2t+1}= \frac{2^2+5\times 2}{2\times 2+1}= \frac{14}{5}

因此,lim⁡t→2g(t)=g(2)\lim_{ t \to 2 }g(t)=g(2)

所以,g(t)g(t) 在 a=2a=2 处连续

利用连续性计算极限

题目 3​

题目

lim⁡x→2x20−x2\lim_{ x \to 2 }x\sqrt{ 20-x^2 }

解答

=2×20−22=2\times \sqrt{ 20-2^2 }

=2×4=2\times 4

=8=8

题目 4​

题目

lim⁡θ→π2sin⁡(tan⁡(cos⁡θ))\lim_{ \theta \to \frac{\pi}{2} }\sin (\tan (\cos \theta))

解答

sin⁡(tan⁡0)=0\sin(\tan 0)=0

题目 5​

题目

常数 cc 为何值时,函数 ff 在 (−∞,+∞)(-\infty,+\infty) 上连续?

f(x)={cx2+2x,x<2,x3−cx,x≥2.f(x)= \begin{cases} cx^2+2x, & x<2,\\ x^3-cx, & x\geq 2. \end{cases}

解答

已知函数在 R\mathbb{R} 上连续,所以在 x=2x=2 处连续

左极限:lim⁡x→2−(cx2+2x)=4c+4\lim_{ x \to 2^- }(cx^2+2x)=4c+4

右极限:lim⁡x→2+(x3−cx)=8−2c\lim_{ x \to 2^+ }(x^3-cx)=8-2c

所以 4c+4=8−2c4c+4=8-2c ,c=23c=\frac{2}{3}

题目 6​

题目

求使 ff 处处连续的 aa 和 bb 的值。

f(x)={x2−4x−2,x<2,ax2−bx+3,2≤x≤3,2x−a+b,x≥3.f(x)= \begin{cases} \dfrac{x^2-4}{x-2}, & x<2,\\ ax^2-bx+3, & 2\leq x\leq 3,\\ 2x-a+b, & x\geq 3. \end{cases}

解答

已知函数在 R\mathbb{R} 上连续,所以在 x=2x=2 处连续

左极限:lim⁡x→2−x2−4x−2=2+2=4\lim_{ x \to 2^- } \frac{x^2-4}{x-2}=2+2=4

右极限:lim⁡x→2+(ax2−bx+3)=4a−2b+3\lim_{ x \to 2^+ }(ax^2-bx+3)=4a-2b+3

可得:4a−2b+3=44a-2b+3=4,

化简后:4a−2b=14a-2b=1 ··· ①

然后,在 x=3x=3 处连续

左极限:lim⁡x→3−(ax2−bx+3)=9a−3b+3\lim_{ x \to 3^- }(ax^2-bx+3)=9a-3b+3

右极限:lim⁡x→3+(2x−a+b)=6−a+b\lim_{ x \to 3^+ }(2x-a+b)=6-a+b

可得:9a−3b+3=6−a+b9a-3b+3=6-a+b

化简后:10a−4b=310a-4b=3 ··· ②

联立①和②,解方程组,

可得:a=12,b=12a=\frac{1}{2},b=\frac{1}{2}


2.6 无穷远处的极限与水平渐近线​

  • 引言:前面研究的无穷极限描述了 xx 趋于某个有限值时,f(x)f(x) 的绝对值变得任意大,由此可以确定垂直渐近线。本节转而研究 xx 趋于正无穷或负无穷时函数的变化趋势。

无穷远处的极限和水平渐近线​

  • 正无穷远处的极限的直观定义:设 ff 是一个定义在某区间 (a,+∞)(a,+\infty) 上的函数,那么 lim⁡x→+∞f(x)=L\lim_{ x \to +\infty } f(x)=L

  • 表示通过让 xx 变得足够大,可以使 f(x)f(x) 任意接近 LL 。

  • 负无穷远处的极限的直观定义:设 ff 是一个定义在某区间 (−∞,a)(-\infty,a) 上的函数,那么 lim⁡x→−∞f(x)=L\lim_{ x \to -\infty } f(x)=L

  • 表示通过让 xx 变得绝对值足够大的负数,可以使 f(x)f(x) 任意接近 LL 。

  • 如果下面两个条件中至少有一个成立,就称直线 y=Ly=L 是曲线 y=f(x)y=f(x) 的水平渐近线:

lim⁡x→−∞f(x)=L\lim_{x\to-\infty}f(x)=L lim⁡x→+∞f(x)=L\lim_{x\to+\infty}f(x)=L
  • 例如,反正切函数 y=tan⁡−1x=arctan⁡xy=\tan^{-1}x=\arctan x 有两条水平渐近线:
lim⁡x→−∞arctan⁡x=−π2\lim_{x\to-\infty}\arctan x=-\frac{\pi}{2} lim⁡x→+∞arctan⁡x=π2\lim_{x\to+\infty}\arctan x=\frac{\pi}{2}

计算无穷远处的极限​

  • 定理:如果 r>0r>0 是一个有理数,那么 lim⁡x→+∞1xr=0\lim_{ x \to +\infty } \frac{1}{x^r}=0
  • 如果 r>0r>0 是一个使 xrx^r 对所有 xx 都有定义的有理数,那么 lim⁡x→−∞1xr=0\lim_{ x \to -\infty } \frac{1}{x^r}=0
  • 自然指数函数的极限: lim⁡x→−∞ex=0\lim_{ x \to -\infty } e^{ x }=0 lim⁡x→0−e1x=0\lim_{ x \to 0^- } e^{ \frac{1}{x} }=0

无穷远处的无穷极限​

  • 符号 lim⁡x→+∞f(x)=+∞\lim_{ x \to +\infty }f(x)=+\infty
  • 表示当 xx 变得非常大时,f(x)f(x) 也变得非常大。
  • 注意:极限运算法则不能被应用于无穷极限上,∞\infty 不是一个数,∞−∞\infty-\infty 是没有定义的,然而,lim⁡x→∞(x2−x)=lim⁡x→∞x(x−1)=+∞\lim_{ x \to \infty }(x^2-x)=\lim_{ x \to \infty }x(x-1)=+\infty 是成立的,因为 xx 和 x−1x-1 都变得任意大,所以它们的乘积也变得任意大。

严格定义​

  • 正无穷远处的极限的严格定义:设 ff 是一个定义在某区间 (a,+∞)(a,+\infty) 上的函数,那么 lim⁡x→+∞f(x)=L\lim_{ x \to +\infty } f(x)=L
  • 表示对于任意 ε>0\varepsilon>0 ,总存在一个数NN ,使得 当x>N时,∣f(x)−L∣<ε\text{当}x>N\text{时},|f(x)-L|<\varepsilon
  • 负无穷远处的极限的严格定义:设 ff 是一个定义在某区间 (−∞,a)(-\infty,a) 上的函数,那么 lim⁡x→−∞f(x)=L\lim_{ x \to -\infty } f(x)=L
  • 表示对于任意 ε>0\varepsilon>0 ,总存在一个数 NN ,使得 当x<N时,∣f(x)−L∣<ε\text{当}x<N\text{时},|f(x)-L|<\varepsilon

2.7 导数和变化率​

切线​

  • 切线定义:曲线 y=f(x)y=f(x)在点 P(a,f(a))P(a,f(a)) 处的切线是一条过点 PP 且斜率为 mm 的直线(如果极限存在)。 m=lim⁡x→af(x)−f(a)x−am=\lim_{ x \to a } \frac{f(x)-f(a)}{x-a}
  • 曲线斜率:曲线在某一点切线的斜率。
  • 切线斜率另一种表达式,令 h=x−ah=x-a ,则 x=a+hx=a+h , m=lim⁡h→0f(a+h)−f(a)hm=\lim_{ h \to 0 } \frac{f(a+h)-f(a)}{h}

速度​

  • 假设物体沿直线运动,它的运动方程为 s=f(t)s=f(t) ,其中 ss 是 tt 时物体相对于原点的位移(有向距离)。这个描述物体运动的函数称为位置函数,在 t=at=a 到 t=a+ht=a+h 的时间段内,位移为 f(a+h)−f(a)f(a+h)-f(a) ,这个时间段内的平均速度为 平均速度=位移时间=f(a+h)−f(a)h\text{平均速度}=\frac{\text{位移}}{\text{时间}}=\frac{f(a+h)-f(a)}{h}
  • 我们计算物体在越来越短的时间段 [a,a+h][a,a+h] 内的平均速度,此时 hh 趋于 00 ,定义在 t=at=a 时的速度 v(a)v(a) 为这些平均速度的极限,即瞬时速度。 瞬时速度=v(a)=lim⁡h→0f(a+h)−f(a)h\text{瞬时速度}=v(a)=\lim_{ h \to 0 } \frac{f(a+h)-f(a)}{h}

导数​

  • 在求切线的斜率和物体的速度时,我们使用了相同类型的极限,在科学和工程学问题计算变化率时,经常会遇到这种极限,我们赋予它特殊的符号和名称。
  • 导数的定义:定义函数 f(x)f(x) 在 x=ax=a 处的导数 f′(a)f'(a) 为 f′(a)=lim⁡h→0f(a+h)−f(a)hf'(a)=\lim_{ h \to 0 } \frac{f(a+h)-f(a)}{h} f′(a)=lim⁡x→af(x)−f(a)x−af'(a)=\lim_{ x \to a } \frac{f(x)-f(a)}{x-a}
重点
  • 由于切线斜率和导数 f′(a)f'(a) 相同,可以这样叙述:曲线 y=f(x)y=f(x) 在点 (a,f(a))(a,f(a)) 处的切线是一条经过点 (a,f(a))(a,f(a)) 且斜率为 f′(a)f'(a) 的直线。
  • 我们可以得到 y=f(x)y=f(x) 在点 (a,f(a))(a,f(a)) 处的切线方程:
y−f(a)=f′(a)(x−a)y-f(a)=f'(a)(x-a)

变化率​

  • 假设变量 yy 依赖于变量 xx ,则yy 是 xx 的函数,记作:y=f(x)y=f(x) 。如果 x1x_{1} 变化到 x2x_{2} ,则 xx 的改变量(也可称为增量)为 Δx=x2−x1\Delta x=x_{2}-x_{1}
  • 对应 yy 的改变量为 Δy=f(x2)−f(x1)\Delta y=f(x_{2})-f(x_{1})
  • 那么差商 ΔyΔx=f(x2)−f(x1)x2−x1\frac{\Delta y}{\Delta x}=\frac{f(x_{2})-f(x_{1})}{x_{2}-x_{1}}
  • 称为 yy 在[x1,x2][x_{1},x_{2}] 上的平均变化率。
  • 我们令 x2x_{2} 向 x1x_{1} 不断趋近,即 x2→x1x_{2}\to x_{1},此时的 Δx\Delta x 趋于 00 ,即可得到 x=x1x=x_{1} 处的瞬时变化率 lim⁡Δx→0ΔyΔx=lim⁡x2→x1f(x2)−f(x1)x2−x1\lim_{ \Delta x \to 0 } \frac{\Delta y}{\Delta x}=\lim_{ x_{2} \to x_{1} } \frac{f(x_{2})-f(x_{1})}{x_{2}-x_{1}}
  • 可以发现,这个极限正好是导数 f′(x1)f'(x_{1})。
  • 可以有这样的理解:当导数较大时,曲线更加陡峭,函数值变化很大;当导数较小时,曲线更加平坦,函数值变化不明显。

2.8 导函数​

导数作为函数​

  • 对于任何使这个极限存在的 xx ,我们将 f′(x)f'(x) 指定给 xx ,可以将 f′f' 看成一个新的函数,称其为 ff 的导数。 f′(x)=lim⁡h→0f(a+h)−f(x)hf'(x)=\lim_{ h \to 0 } \frac{f(a+h)-f(x)}{h}
  • f′f' 在 xx 处的值在几何上可以解释为 ff 的图像在点 (x,f(x))(x,f(x)) 处的切线的斜率。
  • 我们可以知道:f′f' 的定义域包含在 ff 的定义域之内,但两者不一定相等。
  • 其他符号: f′(x)=y′=dydx=dfdx=Df(x)=Dxf(x)f'(x)=y'=\frac{dy}{dx}=\frac{df}{dx}=Df(x)=D_{x}f(x) 符号D和ddx称为微分算子,因为他们代表微分运算,即求导的过程\text{符号}D\text{和} \frac{d}{dx}\text{称为微分算子,因为他们代表微分运算,即求导的过程}
  • 由莱布尼茨引入的符号 dydx\frac{dy}{dx} 不应被看作一个比,它是 f′(x)f'(x) 的一种替代形式,我们用莱布尼茨符号将导函数的定义写成如下形式: dydx=lim⁡Δx→0ΔyΔx\frac{dy}{dx}=\lim_{ \Delta x \to 0 } \frac{\Delta y}{\Delta x}
  • 我们也可以用莱布尼茨符号表示某特定点 aa 处的导数: dydx∣x=a或dydx]x=a\frac{dy}{dx}\bigg|_{x=a}\text{或} \frac{dy}{dx}\bigg]_{x=a}
重点
  • 如果 f′(a)f'(a)存在,我们称 ff 在 aa 处可微,如果 ff 在开区间 (a,b)(a,b) 内的每一点处都是可微的,我们称 ff 在开区间 (a,b)(a,b) 上可微。
  • 如果 ff 在 aa 处可微,则 ff 在 aa 处连续。
  • 存在连续但不可微的函数。例如:f(x)=∣x∣f(x)=|x|

不可微的函数​

一般有以下三种情况函数不可微:

  • 通常,如果一个函数 ff 的图像有“尖角”,则函数 的图像在该点处没有切线,ff 在该点处不可微。
  • 如果函数 ff 在 aa 处不连续,则在 aa 处不可微,即:在任何间断点处,函数 ff 都是不可微的。
  • 曲线在 aa 处有垂直切线,即 ff 在 aa 处连续且满足 lim⁡x→a∣f′(x)∣=+∞\lim_{ x \to a } |f'(x)|=+\infty
  • 另一种方式看待可微:如果函数 ff 在 aa 处可微,那么,我们以 aa 点为中心放大图像,图像看上去越来越像一条直线,或者说是越来越趋于一条直线,而尖角是无论如何都无法消除的。

高阶导数​

  • 如果 ff 是一个可微的函数,那么它的导数 f′f' 也是一个函数,所以 f′f' 可以有自己的导数,记作:f′′=(f′)′f''=(f')' ,这个新函数 f′′f'' 称为 ff 的二阶导数,因为它是 ff 的导数的导数。我们可以使用莱布尼茨符号进行表示 ddx(dydx)=d2ydx2\frac{d}{dx} \left( \frac{dy}{dx} \right)=\frac{d^2y}{dx^2}

  • 我们可以把 f′′(x)f''(x) 理解为函数 f(x)f(x) 的斜率的变化率。

  • 由此我们得到位置函数的二阶导数: a(t)=v′(t)=s′′(t)a(t)=v'(t)=s''(t) a=dvdt=d2sdt2a=\frac{dv}{dt}=\frac{d^2s}{dt^2}

  • 这就是瞬时速率的变化率,我们称之为加速度 a(t)a(t) 。

  • 于是,我们还可以求加速度的变化率,称函数 jj 为加加速度: j=dadt=d3sdt3j=\frac{da}{dt}=\frac{d^3s}{dt^3}

  • 可以继续推广导 nn 阶导数: y(n)=f(n)(x)=dnydxny^{(n)}=f^{(n)}(x)=\frac{d^ny}{dx^n}


本章总结​

  • 极限描述函数在某点附近或无穷远处的趋势,不要求函数在该点一定有定义。
  • 双侧极限存在,当且仅当左极限和右极限存在且相等。
  • 连续性把函数值与极限连接起来:lim⁡x→af(x)=f(a)\lim_{x\to a}f(x)=f(a)。
  • 导数是差商的极限,同时表示切线斜率和瞬时变化率。
  • 高阶导数继续刻画变化率的变化,例如速度、加速度和加加速度。