极限存在的充要条件为:
其中为自变量的同一变化过程的,即有。
这里需要说明下,本定理中提到了“自变量的同一变化过程”,意思是与都取同一种极限。比如,那么;再比如,那么。并且本定理对于为的情况也适用。下面以为例来证明下。 (1)证明充分性。已知,其中为常数,。根据条件可推出:
因为,根据可推出,,,,有,则:
根据,上面的式子证明了。
(2)证明必要性。已知,根据可推出,,,,有:
设(即)则:
假设某的为,其中某点与的距离为。根据之前的学习可知,该距离随着的增大会无限趋近于 0,也就是说为时的:
所以当有时,与之间相差一个时的。假设该无穷小为,那么有(根据上面的说明,可知为时的。根据其几何意义容易想象,去掉绝对值后的也是时的。假设,那么有:
),这就是本定理的几何意义。
本定理也有重大的代数意义,注意该定理的式子两侧,一侧没有极限符号,一侧有极限符号:
也就是说该定理可以帮助我们脱去极限符号,方便运算,这在后面的证明、计算题中会看到。