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极限

极限是微积分的基础!理解极限,是学习微积分的第一步。

什么是极限?

极限(Limit)是函数在某个点附近的行为,描述函数值趋近于某个值的过程。

简单理解

极限就像"无限接近":

  • xx 无限接近某个值时
  • 函数 f(x)f(x) 无限接近某个值
  • 这个值就是极限

定义

如果当 xx 无限接近 aa 时,f(x)f(x) 无限接近 LL,则称 LLf(x)f(x)xax \to a 时的极限,记作:

limxaf(x)=L\lim_{x \to a} f(x) = L

左极限和右极限

左极限

左极限(Left-hand Limit)是 xx 从左侧接近 aa 时的极限,记作:

limxaf(x)\lim_{x \to a^-} f(x)

右极限

右极限(Right-hand Limit)是 xx 从右侧接近 aa 时的极限,记作:

limxa+f(x)\lim_{x \to a^+} f(x)

极限存在的条件

极限 limxaf(x)\lim_{x \to a} f(x) 存在当且仅当左极限和右极限都存在且相等:

limxaf(x)=limxa+f(x)=L\lim_{x \to a^-} f(x) = \lim_{x \to a^+} f(x) = L

极限的性质

性质 1:唯一性

如果极限存在,则它是唯一的。

性质 2:局部有界性

如果 limxaf(x)=L\lim_{x \to a} f(x) = L,则 f(x)f(x)aa 的某个邻域内有界。

性质 3:保号性

如果 limxaf(x)=L>0\lim_{x \to a} f(x) = L > 0,则存在 aa 的某个邻域,使得 f(x)>0f(x) > 0

极限的运算法则

加法

limxa[f(x)+g(x)]=limxaf(x)+limxag(x)\lim_{x \to a} [f(x) + g(x)] = \lim_{x \to a} f(x) + \lim_{x \to a} g(x)

减法

limxa[f(x)g(x)]=limxaf(x)limxag(x)\lim_{x \to a} [f(x) - g(x)] = \lim_{x \to a} f(x) - \lim_{x \to a} g(x)

乘法

limxa[f(x)×g(x)]=limxaf(x)×limxag(x)\lim_{x \to a} [f(x) \times g(x)] = \lim_{x \to a} f(x) \times \lim_{x \to a} g(x)

除法

limxaf(x)g(x)=limxaf(x)limxag(x)\lim_{x \to a} \frac{f(x)}{g(x)} = \frac{\lim_{x \to a} f(x)}{\lim_{x \to a} g(x)}

其中 limxag(x)0\lim_{x \to a} g(x) \neq 0

数乘

limxa[kf(x)]=klimxaf(x)\lim_{x \to a} [k f(x)] = k \lim_{x \to a} f(x)

其中 kk 是常数。

重要极限

极限 1

limx0sinxx=1\lim_{x \to 0} \frac{\sin x}{x} = 1

极限 2

limx(1+1x)x=e\lim_{x \to \infty} \left(1 + \frac{1}{x}\right)^x = e

其中 e2.71828e \approx 2.71828 是自然常数。

极限 3

limx0ex1x=1\lim_{x \to 0} \frac{e^x - 1}{x} = 1

极限 4

limx0ln(1+x)x=1\lim_{x \to 0} \frac{\ln(1 + x)}{x} = 1

无穷小和无穷大

无穷小

如果 limxaf(x)=0\lim_{x \to a} f(x) = 0,则称 f(x)f(x)xax \to a 时的无穷小(Infinitesimal)。

无穷大

如果 limxaf(x)=\lim_{x \to a} f(x) = \infty(或 -\infty),则称 f(x)f(x)xax \to a 时的无穷大(Infinity)。

关系

如果 limxaf(x)=\lim_{x \to a} f(x) = \infty,则 limxa1f(x)=0\lim_{x \to a} \frac{1}{f(x)} = 0

极限的计算方法

方法 1:直接代入

如果函数在 aa 处连续,则:

limxaf(x)=f(a)\lim_{x \to a} f(x) = f(a)

方法 2:因式分解

对于 00\frac{0}{0} 型未定式,可以因式分解后约分。

例子limx2x24x2\lim_{x \to 2} \frac{x^2 - 4}{x - 2}

limx2x24x2=limx2(x2)(x+2)x2=limx2(x+2)=4\lim_{x \to 2} \frac{x^2 - 4}{x - 2} = \lim_{x \to 2} \frac{(x - 2)(x + 2)}{x - 2} = \lim_{x \to 2} (x + 2) = 4

方法 3:有理化

对于含有根式的未定式,可以有理化。

例子limx01+x1x\lim_{x \to 0} \frac{\sqrt{1 + x} - 1}{x}

limx01+x1x=limx0(1+x1)(1+x+1)x(1+x+1)\lim_{x \to 0} \frac{\sqrt{1 + x} - 1}{x} = \lim_{x \to 0} \frac{(\sqrt{1 + x} - 1)(\sqrt{1 + x} + 1)}{x(\sqrt{1 + x} + 1)}

=limx01+x1x(1+x+1)=limx011+x+1=12= \lim_{x \to 0} \frac{1 + x - 1}{x(\sqrt{1 + x} + 1)} = \lim_{x \to 0} \frac{1}{\sqrt{1 + x} + 1} = \frac{1}{2}

方法 4:洛必达法则

对于 00\frac{0}{0}\frac{\infty}{\infty} 型未定式,可以使用洛必达法则:

limxaf(x)g(x)=limxaf(x)g(x)\lim_{x \to a} \frac{f(x)}{g(x)} = \lim_{x \to a} \frac{f'(x)}{g'(x)}

(需要满足一定条件)

生活中的应用

物理

  • 瞬时速度:用极限定义瞬时速度
  • 🔬 瞬时加速度:用极限定义瞬时加速度

工程

  • 🏗️ 优化设计:用极限分析优化问题
  • ⚙️ 系统分析:用极限分析系统行为

常见错误

错误 1:极限和函数值混淆

极限是函数值趋近的值,不一定是函数在该点的值。

错误 2:未定式处理错误

要正确处理 00\frac{0}{0}\frac{\infty}{\infty} 等未定式。

错误 3:极限不存在

不是所有函数在所有点都有极限。

小练习

  1. 计算 limx2(x2+3x1)\lim_{x \to 2} (x^2 + 3x - 1)
  2. 计算 limx0sinxx\lim_{x \to 0} \frac{\sin x}{x}
  3. 计算 limx1x21x1\lim_{x \to 1} \frac{x^2 - 1}{x - 1}
  4. 应用题:用极限定义瞬时速度

💡 小贴士:极限是微积分的基础。记住:limx0sinxx=1\lim_{x \to 0} \frac{\sin x}{x} = 1limx(1+1x)x=e\lim_{x \to \infty} \left(1 + \frac{1}{x}\right)^x = e。掌握极限的计算方法,你就能学习导数和积分!