说起极限,大家都有画面感,比如我们要求图像在处的极限:
假如自变量无限接近,函数值无限接近一个确定的实数,那么这个确定的实数,就是函数的极限
关键是如何定义什么叫无限接近,在这个视角下,我们觉得足够接近了
我们可以将它放大,还可以继续加点:
究竟怎样才算无限接近呢?这个问题困扰了数学家很长时间,最后由德国数学家,现代分析之父魏尔斯特拉斯给出了定义。
设函数在上有定义。如果对任意,存在,使得对任意,有:
那么就称是函数当时的 极限 ,或者称当时函数 收敛于 ,记作:
如果不存在这样的常数,就说当时函数没有极限,或者说当时函数是 发散 的,习惯上也说不存在。
这定义内容看着挺多的,其实重要的就是前面两句:
设函数
在
上有定义。如果对任意
,存在
,使得对任意
,有:
如果这两句都满足,极限就存在。那么它们在说什么呢?我们来看一下
2.1 符号
首先看,这里面有一个符号,它出现了两次,一次被记作,一次被记作,它们都被称为的去心邻域,什么意思呢?
我们以为中心,作出一段区域,这个区域被称为的邻域,记作,如果关心邻域的半径,也可以将这段区域记作
其它条件保持不变,去心邻域就是在邻域的基础上,拿掉这个点,此时被记作
2.2 变量
这两句话中还有两个变量,和,其中是去心邻域的半径,根据描述,函数在上有定义
而函数与极限距离的满足
因此是函数与极限距离的上限,要将它表示出来,我们可以以为中心,为半径,作出一个区域,显然,此区域内的点都满足:
现在我们将定义中的变量、符号都翻译了一下,画出了上面这个图像,那是不是它就可以反应出函数极限的概念了呢?当然不是,我们还要将几句话连在一起进行理解。
2.3 理解
设函数
在
上有定义。如果对任意
,存在
,使得对任意
,有:
这句话中最重要的就是对任意,存在,就是任意一个,都能找到对应的,使去心邻域内的函数都满足
从图中可以看到,随着变小,我们总能找到合适的,使得去心邻域内的图像都在区域内。因此极限为,记作:
定义介绍完了,下面我们来看一道具体的例题熟悉一下:
例:已知,求
3.1 分析
先画出图像
根据定义,如果极限为,那么对于任意的,都能找到满足:
第一步,我们要猜测是多少,方法就是计算趋于0时,函数值趋于哪个值,我们取几个点计算,结果如下:
从结果,我们可以推测,极限值
下面我们来进行验证:随便取一个,比如
解得:
即时,都满足,如图所示:
再取一个
同样可以得到时,都满足,如图所示:
对于任意,解不等式:
可以得到:
即时,都满足,因此极限为
3.2 完整解答
例:已知,求
解:设极限为
因此取,使得满足
得到: