【13】函数的极限

定理13.1 a>0,\lim_{n\rightarrow \infty}a^{\frac{1}n}=1
证明 a) 当a=1时,命题显然成立。
b) 当a>1时, 取\epsilon满足0<\epsilon<1,令N=\left[\frac{a-1}\epsilon\right]+1,当n>N时,n>\max\left(\frac{a-1}\epsilon,1\right)\\
所以\tag{13.1.1}a<1+n\epsilon\le(1+\epsilon)^n
又由a,\epsilon的选取,得\tag{13.1.2}(1-\epsilon)^n<1<a
由(13.1.1)及(13.1.2)得:1-\epsilon<a^{\frac{1}n}<1+\epsilon,所以\left|a^{\frac{1}n}-1\right|<\epsilon,此式对任意的自然数n>N成立,所以\lim_{n\rightarrow \infty}a^{\frac{1}n}=1
c) 当a<1时,令b=\frac{1}a>1,则\lim_{n\rightarrow \infty}a^{\frac{1}n}=\lim_{n\rightarrow \infty}\left(\frac{1}b\right)^{\frac{1}n}\\ =\lim_{n\rightarrow \infty}\left(\frac{1}{b^{\frac{1}n}}\right)=1
综合a),b),c),命题成立。
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评注13.2 在未学习指数与对数函数之前,题13.1不能使用指数(对数)不等式。

定理13.3 \lim_{n\rightarrow \infty}n^{\frac{1}n}=1
证明a=lim_{n\rightarrow \infty}n^{\frac{1}n},显然a\ge 1,而且
a=\lim_{n\rightarrow \infty}n^{\frac{1}n}=\lim_{n\rightarrow \infty}(2n)^{\frac{1}{2n}}=\lim_{n\rightarrow \infty}2^{\frac{1}{2n}}(n)^{\frac{1}{2n}}\\ =\lim_{n\rightarrow \infty}2^{\frac{1}{2n}}\lim_{n\rightarrow \infty}(n)^{\frac{1}{2n}}=\lim_{n\rightarrow \infty}(n)^{\frac{1}{2n}}\\ =\left(\lim_{n\rightarrow \infty}n^{\frac{1}n}\right)^{1/2}=\sqrt a
因为a \ge 1,所以\lim_{n\rightarrow \infty}n^{\frac{1}n}=a=1
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题13.4 0<x<1,n\in \mathbb N证明:
(1) n>1,则(1-x)^n\ge 1-nx
(2) n>2,则(1-x)^n\le 1-C_n^1x+C_n^2x^2
证明 (1) 证法1\tag{13.4.1}(1-x)^n>1-nx \Leftrightarrow (1-x)^n-n(1-x)>1-n
构造函数y=t^n-nt,则y'=nt^{n-1}-n,则y'|_{t=1}=0,y'|_{t\in (0,1)}<0,所以\min_{t\in (0,1]}y=y|_{x=1}=1-n,即当t \in (0,1)时,y>1-n,这等价于\\(1-x)^n-n(1-x)>1-n
根据(13.4.1),命题得证。

(1)证法2f(t)=t^n-nt。取0<t,t+\Delta t<1,则\frac{f(t+\Delta t)-f(t)}{\Delta t} =\frac{(t+\Delta t)^n-t^n-n\Delta t}{\Delta t}\\ =(t+\Delta t)^{n-1}+(t+\Delta t)^{n-2} t+(t+\Delta t)^{n-3} t^2+...+t^{n-1}-n<0
可见f(t)为减函数。其余部分与证法1一致。

(2) 原不等式等价于f(x)=(1-x)^n+nx-C_n^2x^2<1,x\in(0,1)
f求导,f'(x)=-n(1-x)^{n-1}-n(n-1)x+n
根据(1),有(1-x)^{n-1}-(n-1)x>1,所以-n(1-x)^{n-1}-n(n-1)x<-n,于是:
\forall x\in (0,1),f'(x)<0,f'(0)=0,所以\max_{x\in [0,1)} f(x)=f(0)=1。最终\forall x\in (0,1),f(x)<1,从而证明了原命题。
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定义13.5
a) a<b,称集合\{x|a<x<b\}开区间,记为(a,b)
b) a\le b,称集合\{x|a\le x\le b\}闭区间,记为[a,b]
c) a<b,称集合\{x|a< x\le b\}左开右闭区间,记为(a,b]
d) a<b,称集合\{x|a\le x< b\}左闭右开区间,记为[a,b)

题13.6 n\in\mathbb N,E_n=\left(0,\frac{1}n\right)
(1) 求所有E_n的并\cup_{n=1}^{\infty} E_n
(2)证明:\cap_{n=1}^{\infty}{E_n}=\emptyset
(1) 很明显,E_{n+1}\subset E_n,n=1,2,...,所以\cup_{n=1}^{\infty} E_n=E_1=(0,1)
(2) 假设E=\cap_{n=1}^{\infty}{E_n}\ne \emptyset,不妨设a\in E,则对于任意的E_n,若a\in E_n,有a>0
取正整数N>\left[\frac{1}a\right],则a>\frac{1}N,并得E_N=\left(0,\frac{1}N\right)。这说明a\notin E_N,矛盾。所以假设不成立,命题成立。
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定义13.7 包含实数a的开区间,称作a邻域,如果I_aa的邻域,集合I_a-\{a\}称作a去心邻域

题13.8
(1) I=(\sqrt3-\sqrt2,\sqrt2-1),证明:I\frac{2}{5}的邻域。并用区间的形式写出其去心邻域。
(2) a是开区间I里的元素,证明:存在a的邻域I_a\subset II_a\ne I
证明 (1)略。
(2) 设I=(b,c),根据条件,有b<a<c,取b_1=\frac{b+a}2,c_1=\frac{a+c}2,则b<b_1<a<c_1<c,令I_a=(b_1,c_1),那么I_a满足条件,证明完毕。
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题13.9a\in \mathbb R,n\in \mathbb N,I_n=\left(-\frac{1}{2^n},a+\sqrt{n+1}-\sqrt{n}\right),I=\cap_{n=1}^\infty{I_n}
(1) I\ne \emptyset,求a的取值范围。
(2) 证明:当I\ne \emptyset时,I是闭区间。
(1) I\ne \emptyset等价于:对于任意的自然数n-\frac{1}{2^n}<a+\sqrt{n+1}-\sqrt{n},即\\ \forall n\in \mathbb N_+,-\frac{1}{2^n}-\frac{1}{\sqrt n+\sqrt{n+1}}<a
n>0时,-\frac{1}{2^n}-\frac{1}{\sqrt n+\sqrt{n+1}}<0,而\lim_{n\rightarrow \infty}{\left(-\frac{1}{2^n}-\frac{1}{\sqrt n+\sqrt{n+1}}\right)}=0,所以
a的最小值为0。经验证,当a\ge0时,I\ne \emptyset。所以a的取值范围是a\ge 0

(2) 证明:只需证明I=[0,a],过程如下:
x\in I,那么\forall n\in \mathbb N,x\in I_n,即-\frac{1}{2^n}<x<a+\frac{1}{\sqrt n+\sqrt{n+1}}
上式说明:0=\lim_{n\rightarrow \infty}{\left(-\frac{1}{2^n}\right)}\le x\le \lim_{n \rightarrow \infty}{\left(a+\frac{1}{\sqrt n+\sqrt{n+1}}\right)}=a
x\in [0,a],所以:\tag{13.9.1}I\subset [0,a]
x\in [0,a],则\forall n \in\mathbb N, x\in I_n,于是得\tag{13.9.2}x\in I
(13.9.1)(13.9.2)\Rightarrow I=[0,a],所以I是闭区间。
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定义13.10 (1) A\in \mathbb R,E\subset \mathbb R,函数f:E\rightarrow \mathbb Ra的一个去心邻域有定义,如果对于任意正数\epsilon,存在一个正数\delta,当|x-a|<\delta时,|f(x)-A|<\epsilon,则称Afx趋近a时的极限,记为:x\rightarrow a,f(x)\rightarrow A\\
\lim_{n\rightarrow a}{f(x)}=A\\

(2) A\in \mathbb R,E\subset \mathbb R,函数f:E\rightarrow \mathbb R在某个以a为下确界的开区间内有定义,如果对于任意正数\epsilon,存在一个正数\delta,当0\le x-a<\delta时,|f(x)-A|<\epsilon,则称Afx由右趋近a极限,简称右极限,记为:x\rightarrow a^+,f(x)\rightarrow A\\
\lim_{n\rightarrow a^+}{f(x)}=A\\

(3) A\in \mathbb R,E\subset \mathbb R,函数f:E\rightarrow \mathbb R在某个以a为上确界的开区间内有定义,如果对于任意正数\epsilon,存在一个正数\delta,当-\delta<x-a\le0时,|f(x)-A|<\epsilon,则称Afx由左趋近a极限,简称左极限,记为:x\rightarrow a^-,f(x)\rightarrow A\\
\lim_{n\rightarrow a^-}{f(x)}=A\\

为了叙述的方便,一般用定语“在a处”,比如\lim_{n\rightarrow a^-}{f(x)}读作"f(x)a处的左极限",等等。

(4) A\in \mathbb R,\alpha \in \mathbb R,函数f(x)在区间(\alpha,\infty)有定义,如果对于任意正数\epsilon,存在一个正数\delta,当x>\delta时,|f(x)-A|<\epsilon,则称Afx趋近\infty极限,记为:x\rightarrow \infty,f(x)\rightarrow A\\
\lim_{n\rightarrow \infty}{f(x)}=A\\

(5) A\in \mathbb R,\alpha \in \mathbb R,函数f(x)在区间(-\infty,\alpha)有定义,如果对于任意正数\epsilon,存在一个正数\delta,当x<-\delta时,|f(x)-A|<\epsilon,则称Afx趋近-\infty极限,记为:x\rightarrow -\infty,f(x)\rightarrow A\\
\lim_{n\rightarrow -\infty}{f(x)}=A\\

定理13.11 f(x)a处有极限当且仅当f(x)a处的左右极限存在且相等。
证明 1)先证明必要性:
\lim_{x\rightarrow a}{f(x)}=A,取\epsilon>0,存在\delta>0,当|x-a|<\delta时,成立:|f(x)-A|<\epsilon
由此得,当:-\delta<x-a<00<x-a<\delta任何一个成立时,都有:|f(x)-A|<\epsilon
所以\lim_{x\rightarrow a^{+}}{f(x)}=\lim_{x\rightarrow a^{-}}{f(x)}=A
2)再证明充分性:
\lim_{x\rightarrow a^{+}}{f(x)}=\lim_{x\rightarrow a^{-}}{f(x)}=A,取\epsilon>0,则必有\delta_1,\delta_2>0-\delta_1<x-a<0\rightarrow|f(x)-A|<\epsilon\\ 0<x-a<\delta_2\rightarrow|f(x)-A|<\epsilon
\delta=\min{(\delta_1,\delta_2)},得|x-a|<\delta\rightarrow |f(x)-A|<\epsilon,所以\lim_{x\rightarrow a}{f(x)}=A

推论 \lim_{x\rightarrow a}{f(x)}=A当且仅当\lim_{x\rightarrow a^{+}}{f(x)}=\lim_{x\rightarrow a^{-}}{f(x)}=A
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定理13.12 \lim_{x\rightarrow a} f(x)=A,\lim_{x\rightarrow a} g(x)=B,那么:
(1) \lim_{x\rightarrow a} [f(x)\pm g(x)]=A\pm B
(2) \lim_{x\rightarrow a} [f(x) g(x)]=AB
(3) \lim_{x\rightarrow a} \frac{f(x) }{g(x)}=\frac{A} B
(这个证明可以参照数列极限的运算)

题13.14 求极限:
(1) \lim_{x\rightarrow 1}{\frac{2-2x^2}{x-1}}
(2) \lim_{x\rightarrow 0^+}{\left(\sqrt{\frac{1}x+1}-\sqrt{\frac{1}x-1}\right)}
(3) \lim_{x\rightarrow0}\frac{\sin x} x
(4) \lim_{x\rightarrow \infty}2^\frac{1}{x}
(5) \lim_{x\rightarrow\infty}\left(1+\frac{1}x\right)^x
(1) \lim_{x\rightarrow 1}{\frac{2-2x^2}{x-1}} = 2\lim_{x\rightarrow 1}(x+1)=4

(2) \lim_{x\rightarrow 0^+}{\left(\sqrt{\frac{1}x+1}-\sqrt{\frac{1}x-1}\right)} =\lim_{x\rightarrow 0^+}{\frac{1}{\sqrt{\frac{1}x+1}+\sqrt{\frac{1}x-1}}}=0

(3) x取弧度且是锐角,那么\sin x<x<\tan x,除以\sin x得:1 < \frac{x}{\sin x}<\frac{1}{\cos x},取极限:
\\1\le \lim_{x\rightarrow 0}{\frac{x}{\sin x}}\le \lim_{x\rightarrow 0}{\frac{1}{\cos x}}=1
由夹逼原理得\lim_{x\rightarrow 0}{\frac{x}{\sin x}}=1
(4) 对每个x\ge 1,取自然数n满足n\le x\le n+1,那么\frac{1}{n+1}\le\frac{1}x\le\frac{1}n,所以2^{\frac{1}{n+1}} \le 2^{\frac{1}{x}} \le 2^{\frac{1}{n}},所以:
\\1=\lim_{n\rightarrow \infty}2^{\frac{1}{n+1}} \le \lim_{x\rightarrow \infty}2^{\frac{1}{x}} \le \lim_{n\rightarrow \infty} 2^{\frac{1}{n}}=1
所以\lim_{x\rightarrow \infty}2^{\frac{1}{x}}=1
(5) 令n=[x](取整),t=x/[x],那么
\lim_{x\rightarrow\infty}\left(1+\frac{1}x\right)^x=\lim_{n\rightarrow\infty}\left(1+\frac{1}{nt}\right)^{nt}=\left[\lim_{n\rightarrow\infty}\left(1+\frac{1}{nt}\right)^{n}\right]^t=\left[e^{1/t}\right]^t=e
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定理13.15 \alpha> 0 ,\lim_{x\rightarrow \infty}\frac{1}{x^\alpha}=0
定理13.16 \lim_{x\rightarrow0}\frac{\sin x} x =1
证明见3.14-(3)

定理3.17 f(x)=1+x+\frac{1}{2!}x^2+\frac{1}{3!}x^3+...的定义域为\mathbb R
证明 本命题等价于:幂级数\tag{3.17.1}\sum_{n=0}^\infty{\frac{x^n}{n!}}
对于任意的x\in \mathbb R收敛。

a) 当x\ge 0时,总有一个整数N> x,于是可以利用以下缩放:\\ \sum_{n=0}^\infty{\frac{x^n}{n!}}<\sum_{n=0}^N{\frac{x^n}{n!}}+\frac{x^N}{N!}\sum_{n=N+1}^\infty{\frac{x^{n-N}}{(N+1)^{n-N}}}\\ =\sum_{n=0}^N{\frac{x^n}{n!}}+\frac{x^N}{N!}\frac{1}{1-\frac{x}{N+1}}
可见,x\ge 0级数(3.17.1)上有界且递增,所以级数(3.17.1)收敛。

b) 当x<0时,根据a)的结论,(3.17.1)绝对收敛,所以其本身也收敛。

综a),b)所述,对于任意的x\in \mathbb R,(3.17.1)收敛,所以f(x)的定义域为\mathbb R
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定义13.18 对于任意的x\in\mathbb R,定义函数e^x=1+x+\frac{1}{2!}x^2+\frac{1}{3!}x^3+...\\
e为底的指数函数,因为自变量为实数,所以此函数为实变量指数函数。

定理3.19 \forall x\in \mathbb R,e^x>0
证明 根据定义13.18,容易验证如下:
a) 当x\ge 0时,e^x>0
b) \forall x,y, f(x+y)=f(x)f(y)

根据a),当x<0时,有e^{-x}>0,再利用b):
c) e^x=\frac{1}{e^{-x}}>0

a),c)\Rightarrow \forall x\in \mathbb R,e^x>0

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定义3.20 (1)E\subset \mathbb R,实值函数f(x)在E上有定义,若对于任意的x_1,x_2\in Ex_1<x_2\rightarrow f(x_1)<f(x_2),称f(x)在E中是单调递增函数,简称f是E上的增函数
(2)E\subset \mathbb R,实值函数f(x)在E上有定义,若对于任意的x_1,x_2\in Ex_1<x_2\rightarrow f(x_1)>f(x_2),称f(x)在E中是单调递减函数,简称f是E上的减函数

定理3.21 (1)函数f(x)E上递增,当且仅当\forall x,y\in E,x\ne y\left( \frac{f(y)-f(x)}{y-x}>0\right)\\
(2)函数f(x)E上递减,当且仅当\forall x,y\in E,x\ne y\left( \frac{f(y)-f(x)}{y-x}<0\right)\\

定理3.22 函数e^x\mathbb R上是增函数。
证法1 注意到x>0时,e^x=\sum_{n=0}^\infty{\frac{x^n}{n!}}>1+x>1,所以对于任意的x\in \mathbb R,\Delta x>0,有\frac{e^{x+\Delta x}-e^x}{\Delta x}=\frac{e^x(e^{\Delta x}-1)}{\Delta x}>0
故而e^x\mathbb R上递增。

证法2 求导(e^x)'=e^x>0,即e^x的导函数在\mathbb R上大于零,所以e^x\mathbb R上单调递增。
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定理3.23 \lim_{x\rightarrow -\infty}{e^x}=0
证明x>0是,e^x>1+x。所以当x<0时,0<e^x=1/e^{-x}<\frac{1}{1-x},取极限得:\\0\le\lim_{x\rightarrow -\infty}{e^x}\le\lim_{-x\rightarrow \infty}{1/(1-x)}=0
利用夹逼定理:\lim_{x\rightarrow -\infty}{e^x}=0
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