如何理解函数极限的定义

1 开篇

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。

2 定义解释
设函数上有定义。如果对任意,存在,使得对任意,有:

那么就称是函数时的 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 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,,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:

3 例题

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:

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:

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:

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