一、ε-Ν、ε-δ 数学分析语言的引入
首先需要引入数学分析语言 ε-Ν、ε-δ,以便后面对极限定义的理解与说明。
在数轴上,我们常用两个点差的绝对值来描述两个点之间的距离,例如 5 和 7 的距离为:
|5−7| = 2
现在引入极限的概念:
当自变量无限趋近但不等于某个点时,因变量无限趋近于某个值,则称这个值为这个式子在自变量无限趋近某个点时的极限。
显然,在自变量不断趋近某个点的过程中,因变量与极限值的距离不断缩小,即因变量与极限值差的绝对值越来越小,
也就是 |f(x)−a| 的值越来越小。
二、通过函数例子理解极限与 ε 语言
这里以函数 f(x)=1/x 为例。
显然,当 x 趋近于无穷时,f(x) 趋近于 0,即:
lim 1/x(x→∞)=0
此时,|1/x−0| 会随着 x 的无限增大而趋近于 0。
在 x 不断增大的过程中,如果我们对 |1/x−0| 的大小进行规定,例如:
规定 |1/x−0|<0.1
则当 x>10 时,|1/x−0|<0.1 必然发生规定 |1/x−0|<0.02
则当 x>50 时,|1/x−0|<0.02 必然发生
也就是说,|1/x−0| 可以小于非常小、要多小有多小的数,只要 x 与这个“要多小有多小的数”是对应的。
换句话说:
|1/x−0| 小于任意一个数如果是必然发生的事件,那么一定会有一个与之对应的条件。
这个条件在数列中表现为:
n>Ν
想让必然事件发生,就一定要有对应的条件约束。
三、ε-Ν 语言的本质理解
如果想让 |1/x−0| 小于“要多小有多小的数”,那么只需要让:
n>Ν
其中:
ε 表示 任意给定的精度要求
Ν 并不是提前固定的
Ν 是 允许依赖于 ε 来选取的
引入 ε-δ、ε-Ν 语言,正是为了说明:
“要想让 |1/x−0| 小于要多小有多小的数必然成立,与之对应所需要的条件是什么。”
四、数列极限存在的证明思路
数列极限存在的证明,主要依据数列极限的 ε-Ν 定义。
1. 数列极限的 ε-Ν 定义
设数列 {Xn},a 为常数。
若对 ∀ε>0,∃ 正整数 Ν,使得当 n>Ν 时,恒有:
|Xn−a|<ε
则称数列 Xn 的极限为 a。
2. 极限存在证明的核心思路
若要证明某个数列的极限为 a,实际需要证明的是:
|Xn−a| 能够小于一个非常小的数。
而想让某个必然事件发生,就需要让必然事件发生所需要的条件成立。
因此,证明的关键在于:
找出使 |Xn−a|<ε 成立的 n 的条件。
3. 一般证明步骤总结
任取 ε>0
对 |Xn−A| 进行化简、放缩
将常量 A 代入
得到 n>g(ε)
取 Ν=[g(ε)]+1
当 n>Ν 时,|Xn−A|<ε 恒成立,极限存在,得证。
五、数列极限不存在的证明思路
数列极限不存在的证明,主要抓住其存在的充要条件:
任意两个子列的极限都相等。
因此,只需要:
构造两个子列
证明这两个子列的极限不同
即可说明原数列极限不存在。
六、函数极限存在的证明思路
函数极限的证明与数列极限的证明 大同小异。
区别在于:
数列极限中条件是:n>Ν
函数极限中条件是:|x−x0|<δ
对应的必然事件为:
|f(x)−A|<ε
因此,在对 |f(x)−A|<ε 进行化简、放缩、代入时,需要往 |x−x0| 去凑,最终求出满足要求的 δ。
七、函数极限不存在的证明思路
既然存在数列极限不存在的证明,那么同样存在函数极限不存在的证明。
但数列极限不存在是通过 子列极限不同 来证明的,那么函数极限不存在该如何证明?
通常有两种思路:
否定函数极限存在的必要条件
利用 海涅定理 的等价刻画构造反例
八、海涅定理及其作用
1. 海涅定理的内容
函数 fx 在 x→x0 时极限为 A 的充要条件是:
对任意数列 {Xn},当 n→(正)无穷时,xn→x0,都有:
lim f(xn)(n→∞)= A
2. 构造数列的两个限制条件
使用海涅定理时,构造的数列需满足:
数列的每一项都在函数的定义域内
对任意 n,xn ≠ x0
3. 海涅定理的两个主要作用
将函数极限问题转化为数列极限问题
用于证明函数极限不存在
九、利用海涅定理证明函数极限不存在
证明函数极限不存在时,可以:
构造两个数列
满足 n→∞ 时,xn→x0
且 xn 的每一项都在函数定义域内
并保证任意 n,xn ≠ x0
将构造的数列代入函数中的 x(这里“代入”只是为了方便理解),若:
两个代入后的数列极限不同
或至少有一个极限不存在
则可说明原函数在 x→x0 时极限不存在。
十、三角函数情形的补充说明
对于含有三角函数的函数,若能构造一条数列,使得:
f(xn) 本身作为数列不存在极限
则可直接说明函数极限不存在。
具体做法是:
将数列代入函数
对得到的数列表达式
使用数列极限不存在的证明方法进行证明
结语
无论是数列极限还是函数极限:
极限存在的证明,本质是寻找“必然事件成立的条件”
极限不存在的证明,本质是构造“条件失效的反例”
理解 ε-Ν、ε-δ 语言的真正含义,比记忆形式化定义更为重要。