极限的概念-函数的连续性-详解

1第二章.极限概念函数的连续性对于函数的概念，我们总是能够从日常直观出发，就能很好地加以理解，因为毕竟因果关系的观念在我们的意识当中是非常深根蒂固的。那么要真正严格地理解极限的观念，就不是那么自然的了。对于极限的观念，最为关键的问题是，如何定量地加以描述，并把这种描述作为一般的判别标准。这个问题实际上困扰了人们几百年，一直到19世纪才加以解决的。数列的极限描述（数列存在极限判别定理，定义法、柯西法、子数列法、夹逼法、单调有界法）设存在一个数列，也就是一个数值的集合，这个集合的元素可以一个一个的数出来，同时每一个元素都可以加上唯一的标志，而自然数是最为适宜作这件工作的。比如说，把一个数列写成这样的样子：,....,,321aaa，或者简单地记成{}an。观察这个数列取值变化，有的数列变化具有下面的变化规律：对于数列,....,,321aaa，假设存在一个确定的常数a，现在我们考虑变量aan（显然这是一个反映数列数值变化的，随着n而发生变化的变量。），如果我们任意找到一个数，无论它的数值有多么大或者多么小，我们总是能够在这个数列当中找到一个元素aN，使得在这个aN元素后面的所有的数列元素，都使得相应的变量aan的值小于，换一句话来说，对于任意的，总是存在一个N，当nN时，总是有aan成立这时我们就把a称为数列,...,,321aaa的极限。并且称数列,....,,321aaa收敛于极限a。我们使用记号aannlim来表示该数列极限。否则我们就说数列{}an是发散的。2这就是一个数列收敛于一个极限或者说存在一个极限的定义。在这个定义里面，最为关键的地方，也是初学者最为困难的地方有两个：1。数值是任意的。就是说只要存在一个的数值不满足定义的条件，就不能说数列收敛于极限a。这里初学者感到非常困难的地方是，我们是不是一定要对所有可能的都进行检验，才能得到最后的判断呢？不是的,在实际问题中，由于我们的目的是希望知道变量aan是否越来越小，一般只要取大于0，并且足够小（我们在有关极限的定义当中，总是先假设了这点，），当然这样不能减少我们对的任意取值进行验证的任务，但是我们所处理的数列，总是按照某种特定的规律来变化，一般从这个数列的变化规律本身就可以找到由决定的N的值，使得aan小于，或者是找到反例。从而实现对所有可能的们进行判断.不过，我们的课程在这个方面的要求并不是过高的，因此我们只是需要考虑一些比较简单的例子，而我们的精力应该集中在对于极限思想的理解。2.满足条件的n必须取遍所有大于N的自然数。初学者往往会觉得这是不可能的，实际上，我们并不需要对所有大于N的n值进行检验，同样由于数列的变化是具有规律的，从数列本身的规律，我们一般总是能够通过有限的步骤，来得到所需要的判断。那么数列的规律是什么呢？一般说来，一个数列的元素总是一个由变量n决定的函数，这里变量n取遍自然数，就生成了数列的全部项。这个函数的表达式称为通项an的通项公式。不过通项公式有时候并非完全只是n的函数，有时由变量n和第n项之前的项所决定，这时，通项公式表现为一个递推公式，这种情况的处理比较复杂，我们不过多的涉及。利用极限的定义和应用不等式（绝对值不等式.）对一个数列进行检验是否存在极限，实际上是预先假设知道了这个极限是多少，所谓的检验只不过是证明这个数列的极限是否是这个给出的极限值。答疑解难。1．数列的极限的定义当中，与N的取值是一一对应的吗？[答]：不是。初学者对于极限的定义的叙述往往理解不够深入，并且常常产生歧义，这个问题就是最为典型的。尽管在根据定义进行具体的极限分析时，常常是由推出N的表达式，但这并不是意味着这两个变量之间具有一定的函数关系，这两个变量之间确实是具有一定的关系，但决不是函数的关系，而是一种两个区间的相互影响与决定的关系，实际上，我们给出一个的意思，实际上是给出了一个区间，同样由此而得到的N，也是一个区间的概念，而不是两个数值变量的关系，因此N的求法是很多形式的，实际问题当中，我们只是选择了最为方便的形式而已。3那么在不知道预先极限值时，有没有方法验证数列是否有极限，这就是相当重要的柯西收敛原理：我们说数列{}an收敛，它的充要条件是：对于任意的0，总是存在正整数N，使得对于任意的自然数p和n0，有aanpn成立。可以看到，在这里对数列所进行的检验与极限的定义当中对数列所进行的检验是存在一点差异的，就是在这里对数列进行检验，我们并不需要知道这个数列的极限a究竟是多少，而通过检验，我们也只是知道这个极限是否存在极限，但求不出极限是多少。而在极限的定义当中，要对一个数列进行检验，实际上是预先假设知道了这个极限是多少，所谓的检验只不过是证明这个数列的极限是否是这个给出的极限值。柯西原理是更为方便的验证是否有极限方法4其他判别极限存在定理（1）数列{}an以a为极限的另一个说法，或者说一个充要条件是：对于数列{}an的任意一个子数列{}ani都以a为极限。我们只要能够在一个数列里，构造出一个发散的子数列，或者是构造出两个具有不同收敛极限的子数列，就可以说明这个数列是发散的。（2）如果数列{}an的子数列{}12ak和{}2ak都收敛于同一个极限，那么数列{}an也收敛于这个极限。显然这个定理比性质（1）所需要的条件更弱，但结论是一样的，这是因为我们选取了特定的子数列。（3）如果两个不同数列具有相同的极限：cbannnnlimlim，而另外一个数列{}cn满足条件：存在一个确定的自然数N，当nN时，总是有bcannn成立，那么数列{}cn收敛，并且极限为c。这个性质被称为夹逼定理，常常用来求某个合适的数列的极限，前提是已知另外两个数列的极限，并且这三个数列具有定理所要求的关系。（4）如果我们把数列看成是以自然数为自变量的函数，那么就可以相应地定义这个函数的有界性和单调性，这两个概念是相当直观的，并且显然可以知道一个收敛数列必然是有界的，因为按照极限(收敛)的定义，满足aan的项总是有限的，因此总能够得到一个确定的函数的界。反过来，则还必须加上一个条件(单调)：单调而且有界的数列必定存在极限。这是一个相当重要的极限存在定理，因为往往判定一个数列的单调性和有界性是比较容易的。数列存在极限判别方法中，定义法、子数列法、夹逼法、需要知晓极限然后去验证。单调有界法、柯西法不需要知晓极限就可以验证极限四则运算的理解如果一个数列是由两个收敛数列通过四则运算得到的，那么这个数列的收敛性质就由这两个数列决定，这就是数列极限的四则运算性质：a．如果数列an极限存在（收敛），那么akaknnlimlim其中k为实数；b．如果数列an、bn极限存在（收敛），那么babannnnlimlim)lim(；而数列的减法则没有一般的运算规则c．如果数列an、bn极限存在（收敛），那么babannnnlimlim)lim(；d．如果数列an、bn极限存在（收敛），其中0limbn，那么babannnnlimlimlim，。5函数的极限数列可以看成是对于一种最为简单的函数，唯一的差别，就是函数自变量以及函数值往往是连续的，而数列的变量和数列的值是离散的。数列的这种离散取值形式对于数列的极限是无关紧要的。所以我们可以仿照数列的极限的定义，说明一个连续取值函数的极限的定义。一个函数变化过程当中极限有两种？一种类似于数列的极限过程，函数自变量趋近任意大时的函数值极限过程，另一种是自变量趋近某一个特定值时函数值极限过程。为了说明自变量与某个特定值的距离任意小这种变化的特定形式，我们定义一个概念，就是邻域的概念：对于确定的一个实数x，我们定义它的一个邻域，是一个开区间),,(xx这个开区间的特别之处在于可以看成是一个变量，并且一般是可以取任意小的变量，所以这个开区间的大小是可以任意地小。邻域这个概念在下面函数的极限定义当中具有关键的作用，希望同学们认真加以体会。首先假设函数f（x）在点x0的邻域),(xx内有定义，而在x0点不一定有定义。如果存在一个确定的点A，而我们如果取点A的任意一个邻域),(AA，都可以找到相应的点x0的邻域),,(xx只要自变量x属于邻域),(xx里，对于函数y=f（x）来说，就有因变量y属于邻域),(AA，这样我们就可以说当函数自变量x趋向于点x0时，函数以A为极限，记成Axfxx)(lim0。我们也可以不使用邻域是概念，直接使用实数之间距离的概念，类似于数列极限的形式来说明函数的极限：对于函数y=f（x），假设存在两个确定的常数x0和A，现在我们分别考虑变量xx0（这个变量反映了函数自变量和一个确定的点之间的距离）和Axf)(（显然这是一个反映函数数值变化的，随着x而发生变化的距离变量。），如果我们任意找到一个数，无论它的数值有多么大或者多么小，我们总是能够找到一个相应的数，当变量xx0满足xx00时，使得相应的变量Axf)(的数值小于，换一句话来说，就是对于任意的，总是存在一个，当xx00时，总是有Axf)(成立，这时我们就把A称为函数f（x）在x趋向于x0时的极限。我们使用记号aannlim来表示这点极限。否则我们就说函数f（x）在x趋向于x0时是发散的。6由于函数变化的连续性，使得函数的极限的概念比数列的极限的概念要显得复杂，因此我们还可以通过图形的方式来加强理解。如下图所示，我们可以分别观察在X轴和Y轴上的取值情况。可以看到，在x的取值向x0接近的过程中，函数y=f（x）表现出了这么一种现象，就是在Y轴上存在一点A，无论我们取多么小的A的一个邻域，我们都总能至少找到x0的一个邻域，使得在这个邻域内的所有函数值都处于我们取定了的A的那个邻域内，这就说明了函数在x趋向x0时，存在一个极限A。假如在x0的这个邻域内存在一点，使得函数值超出了A的那个邻域，比如函数的图形如图中虚线所示，突出一个峰B点，那么我们还可以在继续向x0接近的过程中，找到更小的邻域使函数值在A邻域内。另外在图中，我们也可以看到，极限的存在并不要求函数在x0是有定义的，只要函数能够无限地接近这点就可以了。从图形当中我们可以体会到，函数在某点存在极限，反映的是函数在这点附近的局部性质，函数在这点是否具有这个极限性质，是分析函数在这点的行为的一个强大工具。后面的学习当中，我们能够进一步体会到，判断一个函数在某点处是否具有极限，是表示函数在这点行为的重要特征。7函数的单侧极限，左右极限，函数的分段点处的极限。在前面的图形说明当中，我们可以看到，函数自变量的取值趋向某个特定的点，还可以取特定的方向，比方说只从左边或者只从右边接近特定的点，这就自然地得到了单侧极限的概念。根据自变量趋向某点的方向的左右，可以把单侧极限分成两种，即左极限与右极限。顾名思义，左极限就是在X轴上，自变量总是从左边趋向特定的点，右极限就是在X轴上，自变量总是从右边趋向特定的点，引入这个概念，首先在理论上具有重要的作用，这体现在如下的定理当中：一个函数在自变量趋向某点时具有极限A，这件事的另一个说法，或者说它的一个充要条件就是函数在这点的左右极限都存在，并且都是A。这个定理可以应用于对很多函数在特定点的极限性质的判断，当然一般是应用于否定性的判断，即通过计算出函数在这个特定点的左右极限，由于它们不相等，从而得到函数在这点不存在极限的结论。这个定理还具有另外一个方面的实际应用价值，就是用于分析分段函数。我们知道分段函数在分段点处的性质是分段函数最为关键的地方，而对于分段函数在分段点处的极限性质，就只有通过分别地考虑函数在分段点处的左右极限来得到。1．函数的极限的定义当中，与是取值是一一对应的吗？[答]：不对。这里的原因与数列的情形是类似的。这两个变量同样是意味着两个区域，而并不是两个数值变量的关系。因此在作具体问题时，可以灵活地选择最为方便的途径来求出它们的对应关系。2．函数的极限的定义当中，不等式xx00里面大于