函数极限性质一共有三个:
唯一性
局部有界性
局部保号性
一、唯一性
其实唯一性是最好理解的,它的内容为:
如果函数 fx 在 x→x0 时极限为 A,则 A 必定唯一。
有些教材不将唯一性单列为性质,而是视为极限定义的直接推论。
二、局部有界性
1. 性质内容(直观描述)
若函数 fx 在 x→x0 时极限存在,则函数 fx 在 x0 某去心邻域内有界,即局部有界。
2. 数学分析语言的等价表述
如果 fx 极限为 A,那么存在常数 M>0 和 δ>0,使得当
0<|x−x0|<δ 时,有
|fx|≤M。
3. 证明
极限存在是前提,极限存在以后才有极限性质。
所以函数 fx 在 x→x0 时极限为 A,等价于:
对任意 ε>0,存在 δ>0,当
0<|x−x0|<δ 时,
|fx−A|<ε 恒成立。
想要证明 |fx|≤M,那么就需要找出满足需求的 M。
根据绝对值不等式:
|fx| = |fx−A+A| ≤ |fx−A| + |A| < ε + |A|
由于极限定义对任意 ε>0 都成立,特别地,对 ε=1 也成立,
于是有:
|fx|<1+|A|
那么取:
M = 1+|A|
就能够保证 |fx|≤M,问题得证。
三、局部保号性
这个性质很重要,是连接函数值与极限值大小关系的一个桥梁。
准确来说,函数极限的全部性质都可以说成是连接函数值与极限值关系的桥梁,除此之外还有:
函数的连续性
海涅定理
夹逼定理
ε-Ν、ε-δ 语言描述等
后面也可以单独进行系统总结。
1. 性质内容
设函数 fx 在 x→x0 的极限值为 A:
(1)极限值推函数值的大小关系
① 如果 A>0(或 A<0),
则存在 δ>0,当
0<|x−x0|<δ(x0 的某个去心邻域)时,
fx>0(或 fx<0)。
(2)函数值推极限值的大小关系
② 如果存在 δ>0,当
0<|x−x0|<δ 时,
fx≥0(或 fx≤0),
那么 A≥0(或 A≤0)。
2. 第一条的证明(极限值 → 函数值)
函数 fx 在 x→x0 时极限为 A,等价于:
对任意 ε>0,存在 δ>0,当
0<|x−x0|<δ 时,
|fx−A|<ε 恒成立。
ε 可以任意取,所以这里取 ε=A/2。
代入得:
|fx−A|<A/2
化简展开得:
A/2<fx<3A/2
又因为 A>0,所以 A/2>0,因此:
fx>0
得证。
关于 ε 取值的说明
可能产生疑问:
如果取 ε=2A,那么 fx 只需大于 −A,怎么还能推出 fx>0?
原因在于:
保号性只要求存在一个邻域
邻域由 δ 确定
δ 由 ε 决定
只要存在一个 ε(如 A/2)能推出 fx>0,就必然存在对应 δ
因此结论成立。
一个重要说明
极限值 A=0 不能推出 fx=0。
例如:
fx=1/x
当 x→+∞ 时,极限值为 0,但 fx 始终 >0 或 <0,从不为 0。
3. 第二条的证明(函数值 → 极限值)
已知:fx≥0
要证:A≥0
使用反证法。
设 A<0。
由第一条保号性可知:
如果极限值<0,则函数值 fx<0。
这与已知条件 fx≥0 矛盾。
因此 A<0 不成立,结论为:
A≥0
得证。
结语
函数极限的三大性质虽然表述不同,但本质都来源于极限定义本身。
真正的理解关键不在记结论,而在于:
会用 ε-δ 语言
理解“存在一个邻域”的逻辑意义
建立函数值与极限值之间的关系桥梁