同济高数教案

高等数学教案第一章函数与极限第1章函数与极限教学目的：1、理解函数的概念，掌握函数的表示，并会建立简单应用问题中的函数关系式。2、了解函数的奇偶性、单调性、周期性和有界性。3、理解复合函数及分段函数的概念，了解反函数及隐函数的概念。4、掌握基本初等函数的性质及其图形。5、理解极限的概念，理解函数左极限与右极限的概念，以及极限存在与左、右极限之间的关系。6、掌握极限的性质及四则运算法则。7、了解极限存在的两个准则，并会利用它们求极限，掌握利用两个重要极限求极限的方法。8、理解无穷小、无穷大的概念，掌握无穷小的比较方法，会用等价无穷小求极限。9、理解函数连续性的概念（含左连续与右连续），会判别函数间断点的类型。10、了解连续函数的性质和初等函数的连续性，了解闭区间上连续函数的性质（有界性、最大值和最小值定理、介值定理），并会应用这些性质。教学重点：1、复合函数及分段函数的概念；2、基本初等函数的性质及其图形；3、极限的概念极限的性质及四则运算法则；4、两个重要极限；5、无穷小及无穷小的比较；6、函数连续性及初等函数的连续性；7、区间上连续函数的性质。教学难点：1、分段函数的建立与性质；2、左极限与右极限概念及应用；3、极限存在的两个准则的应用；4、间断点及其分类；5、闭区间上连续函数性质的应用。§1.1映射与函数一、集合1.集合概念集合(简称集):集合是指具有某种特定性质的事物的总体.用A,B,C….等表示.元素:组成集合的事物称为集合的元素.a是集合M的元素表示为a(M.集合的表示:列举法:把集合的全体元素一一列举出来.例如A({a,b,c,d,e,f,g}.描述法:若集合M是由元素具有某种性质P的元素x的全体所组成,则M可表示为A({a1,a2,(((,an},M({x|x具有性质P}.例如M({(x,y)|x,y为实数,x2(y2(1}.几个数集:N表示所有自然数构成的集合,称为自然数集.N({0,1,2,(((,n,(((}.N(({1,2,(((,n,(((}.R表示所有实数构成的集合,称为实数集.Z表示所有整数构成的集合,称为整数集.Z({(((,(n,(((,(2,(1,0,1,2,(((,n,(((}.Q表示所有有理数构成的集合,称为有理数集.子集:若x(A,则必有x(B,则称A是B的子集,记为A(B(读作A包含于B)或B(A.如果集合A与集合B互为子集,A(B且B(A,则称集合A与集合B相等,记作A(B.若A(B且A(B,则称A是B的真子集,记作AB.例如,NZQR.不含任何元素的集合称为空集,记作(.规定空集是任何集合的子集.2.集合的运算设A、B是两个集合,由所有属于A或者属于B的元素组成的集合称为A与B的并集(简称并),记作A(B,即A(B({x|x(A或x(B}.设A、B是两个集合,由所有既属于A又属于B的元素组成的集合称为A与B的交集(简称交),记作A(B,即A(B({x|x(A且x(B}.设A、B是两个集合,由所有属于A而不属于B的元素组成的集合称为A与B的差集(简称差),记作A\B,即A\B({x|x(A且x(B}.如果我们研究某个问题限定在一个大的集合I中进行,所研究的其他集合A都是I的子集.此时,我们称集合I为全集或基本集.称I\A为A的余集或补集,记作AC.集合运算的法则:设A、B、C为任意三个集合,则(1)交换律A(B(B(A,A(B(B(A;(2)结合律(A(B)(C(A((B(C),(A(B)(C(A((B(C);(3)分配律(A(B)(C((A(C)((B(C),(A(B)(C((A(C)((B(C);(4)对偶律(A(B)C(AC(BC,(A(B)C(AC(BC.(A(B)C(AC(BC的证明:x((A(B)C(x(A(B(x(A且x(B(x(AC且x(BC(x(AC(BC,所以(A(B)C(AC(BC.直积(笛卡儿乘积):设A、B是任意两个集合,在集合A中任意取一个元素x,在集合B中任意取一个元素y,组成一个有序对(x,y),把这样的有序对作为新元素,它们全体组成的集合称为集合A与集合B的直积,记为A(B,即A(B({(x,y)|x(A且y(B}.例如,R(R({(x,y)|x(R且y(R}即为xOy面上全体点的集合,R(R常记作R2.3.区间和邻域有限区间:设a<b,称数集{x|a<x<b}为开区间,记为(a,b),即(a,b)({x|a<x<b}.类似地有[a,b]({x|a(x(b}称为闭区间,[a,b)({x|a(x<b}、(a,b]({x|a<x(b}称为半开区间.其中a和b称为区间(a,b)、[a,b]、[a,b)、(a,b]的端点,b(a称为区间的长度.无限区间:[a,(()({x|a(x},(((,b]({x|x<b},(((,(()({x||x|<((}.区间在数轴上的表示:邻域:以点a为中心的任何开区间称为点a的邻域,记作U(a).设(是一正数,则称开区间(a((,a(()为点a的(邻域,记作U(a,(),即U(a,()({x|a((<x<a((}({x||x(a|<(}.其中点a称为邻域的中心,(称为邻域的半径.去心邻域(a,():(a,()({x|0<|x(a|<(}二、映射1.映射的概念定义设X、Y是两个非空集合,如果存在一个法则f,使得对X中每个元素x,按法则f,在Y中有唯一确定的元素y与之对应,则称f为从X到Y的映射,记作f:X(Y,其中y称为元素x(在映射f下)的像,并记作f(x),即y(f(x),而元素x称为元素y(在映射f下)的一个原像;集合X称为映射f的定义域,记作Df,即Df(X;X中所有元素的像所组成的集合称为映射f的值域,记为Rf,或f(X),即Rf(f(X)({f(x)|x(X}.需要注意的问题:(1)构成一个映射必须具备以下三个要素:集合X,即定义域Df(X;集合Y,即值域的范围:Rf(Y;对应法则f,使对每个x(X,有唯一确定的y(f(x)与之对应.(2)对每个x(X,元素x的像y是唯一的;而对每个y(Rf,元素y的原像不一定是唯一的;映射f的值域Rf是Y的一个子集,即Rf(Y,不一定Rf(Y.例1设f:R(R,对每个x(R,f(x)(x2.显然,f是一个映射,f的定义域Df(R,值域Rf({y|y(0},它是R的一个真子集.对于Rf中的元素y,除y(0外,它的原像不是唯一的.如y(4的原像就有x(2和x((2两个.例2设X({(x,y)|x2(y2(1},Y({(x,0)||x|(1},f:X(Y,对每个(x,y)(X,有唯一确定的(x,0)(Y与之对应.显然f是一个映射,f的定义域Df(X,值域Rf(Y.在几何上,这个映射表示将平面上一个圆心在原点的单位圆周上的点投影到x轴的区间[(1,1]上.(3)f:([(1,1],对每个x(,f(x)(sinx.f是一个映射,定义域Df(,值域Rf([(1,1].满射、单射和双射:设f是从集合X到集合Y的映射,若Rf(Y,即Y中任一元素y都是X中某元素的像,则称f为X到Y上的映射或满射;若对X中任意两个不同元素x1(x2,它们的像f(x1)(f(x2),则称f为X到Y的单射;若映射f既是单射,又是满射,则称f为一一映射(或双射).上述三例各是什么映射？2.逆映射与复合映射设f是X到Y的单射,则由定义,对每个y(Rf,有唯一的x(X,适合f(x)(y,于是,我们可定义一个从Rf到X的新映射g,即g:Rf(X,对每个y(Rf,规定g(y)(x,这x满足f(x)(y.这个映射g称为f的逆映射,记作f(1,其定义域(Rf,值域(X.按上述定义,只有单射才存在逆映射.上述三例中哪个映射存在逆映射？设有两个映射g:X(Y1,f:Y2(Z,其中Y1(Y2.则由映射g和f可以定出一个从X到Z的对应法则,它将每个x(X映射成f[g(x)](Z.显然,这个对应法则确定了一个从X到Z的映射,这个映射称为映射g和f构成的复合映射,记作fog,即fog:X(Z,(fog)(x)(f[g(x)],x(X.应注意的问题:映射g和f构成复合映射的条件是:g的值域Rg必须包含在f的定义域内,Rg(Df.否则,不能构成复合映射.由此可以知道,映射g和f的复合是有顺序的,fog有意义并不表示gof也有意义.即使fog与gof都有意义,复映射fog与gof也未必相同.例4设有映射g:R([(1,1],对每个x(R,g(x)(sinx,映射f:[(1,1]([0,1],对每个u([(1,1],.则映射g和f构成复映射fog:R([0,1],对每个x(R,有.三、函数1.函数概念定义设数集D(R,则称映射f:D(R为定义在D上的函数,通常简记为y(f(x),x(D,其中x称为自变量,y称为因变量,D称为定义域,记作Df,即Df(D.应注意的问题:记号f和f(x)的含义是有区别的,前者表示自变量x和因变量y之间的对应法则,而后者表示与自变量x对应的函数值.但为了叙述方便,习惯上常用记号“f(x),x(D”或“y=f(x),x(D”来表示定义在D上的函数,这时应理解为由它所确定的函数f.函数符号:函数y(f(x)中表示对应关系的记号f也可改用其它字母,例如“F”,“(”等.此时函数就记作y(((x),y(F(x).函数的两要素:函数是从实数集到实数集的映射,其值域总在R内,因此构成函数的要素是定义域Df及对应法则f.如果两个函数的定义域相同,对应法则也相同,那么这两个函数就是相同的,否则就是不同的.函数的定义域:函数的定义域通常按以下两种情形来确定:一种是对有实际背景的函数,根据实际背景中变量的实际意义确定.求定义域举例:求函数的定义域.要使函数有意义,必须x(0,且x2(4(0.解不等式得|x|(2.所以函数的定义域为D({x||x|(2},或D((((,2]([2,((]).单值函数与多值函数:在函数的定义中，对每个x(D,对应的函数值y总是唯一的,这样定义的函数称为单值函数.如果给定一个对应法则,按这个法则,对每个x(D,总有确定的y值与之对应,但这个y不总是唯一的,我们称这种法则确定了一个多值函数.例如,设变量x和y之间的对应法则由方程x2(y2(r2给出.显然,对每个x([(r,r]，由方程x2(y2(r2,可确定出对应的y值,当x(r或x((r时,对应y(0一个值;当x取((r,r)内任一个值时,对应的y有两个值.所以这方程确定了一个多值函数.对于多值函数,往往只要附加一些条件,就可以将它化为单值函数,这样得到的单值函数称为多值函数的单值分支.例如,在由方程x2(y2(r2给出的对应法则中,附加“y(0”的条件,即以“x2(y2(r2且y(0”作为对应法则,就可得到一个单值分支;附加“y(0”的条件,即以“x2(y2(r2且y(0”作为对应法则,就可得到另一个单值分支.表示函数的主要方法有三种:法、图形法、解析法(公式法),这在中学里大家已经熟悉.其中,用图形法表示函数是基于函数图形的概念,即坐标平面上的点集{P(x,y)|y(f(x),x(D}称为函数y(f(x),x(D的图形.图中的Rf表示函数y(f(x)的值域.函数的例子:例.函数.称为绝对值函数.其定义域为D((((,((),值域为Rf([0,(().例.函数.称为符号函数.其定义域为D((((,((),值域为Rf({(1,0,1}.例设x为任上实数.不超过x的最大整数称为x的整数部分,记作[x].函数y([x]称为取整函数.其定义域为D((((,((),值域为Rf(Z.,,[(](3,[(1]((1,[(3.5]((4.分段函数:在自变量的不同变化范围中,对应法则用不同式子来表示的函数称为分段函数.例。函数.这是一个分段函数,其定义域为D([0,1]((0,(()([0,(().当0(x(1时,;当x>1时,y(1(x.例如;;f(3)(1(3(4.2.函数的几种特性(1)函数的有界性设函数f(x)的定义域为D,数集X(D.如果存在数K1,使对任一x(X,有f(x)(K1,则称函数f(x)在X上有上界,而称K1为函数f(x)在X上的一个上界.图形特点是y(f(x)的图形在直线y(K1的下方.如果存在数K2,使对任一x(X,有f(x)(K2,则称函数f(x)在X上有下界,而称K2为函数f(x)在X上的一个下界.图形特点是,函数y(f(x)的图形在直线y(K2的上方.如果存在正数M,使对任一x(X,有|f(x)|(M,则称函数f(x)在X上有界;如果这样的M不存在,则称函数f(x)在X上无界.图形特点是,函数y(f(x)的图形在直线y((M和y(M的之间.函数f(x)无界,就是说对任何M,总存在x1(X,使|f(x)|>M.例如(1)f(x)(sinx在(((,(()上是有界的:|sinx|(1.(2)函数在开区间(0,1)内是无上界的.或者说它在(0,1)内有下界,无上界.这是因为,对于任一M>1,总有x1:,使,所以函数无上界.函数在(1,2)内是有界的.(2)函数的单调性设函数y(f(x)的定义域为D,区间I(D.如果对于区间I上任意两点x1及x2,当x1<x2时,恒有f(x1)<f(x2),则称函数f(x)在区间I上是单调增加的.如果对于区间I上任意两点x1及x2,当x1<x2时,恒有f(x1)>f(x2),则称函数f(x)在区间I上是单调减少的.单调增加和单调减少的函数统称为单调函数.函数单调性举例:函数y(x2在区间(((,0]上是单调增加的,在区间[0,(()上是单调减少的,在（((,((）上不是单调的.(3)函数的奇偶性设函数f(x)的定义域D关于原点对称(即若x(D,则(x(D).如果对于任一x(D,有f((x)(f(x),则称f(x)为偶函数.如果对于任一x(D,有f((x)((f(x),则称f(x)为奇函数.偶函数的图形关于y轴对称,奇函数的图形关于原点对称,奇偶函数举例:y(x2,y(cosx都是偶函数.y(x3,y(sinx都是奇函数,y(sinx(cosx是非奇非偶函数.(4)函数的周期性设函数f(x)的定义域为D.如果存在一个正数l,使得对于任一x(D有(x(l)(D,且f(x(l)(f(x)则称f(x)为周期函数,l称为f(x)的周期.周期函数的图形特点:在函数的定义域内,每个长度为l的区间上,函数的图形有相同的形状.3．反函数与复合函数反函数:设函数f:D(f(D)是单射,则它存在逆映射f(1:f(D)(D,称此映射f(1为函数f的反函数.按此定义,对每个y(f(D),有唯一的x(D,使得f(x)(y,于是有f(1(y)(x.这就是说,反函数f(1的对应法则是完全由函数f的对应法则所确定的.一般地,y(f(x),x(D的反函数记成y(f(1(x),x(f(D).若f是定义在D上的单调函数,则f:D(f(D)是单射,于是f的反函数f(1必定存在,而且容易证明f(1也是f(D)上的单调函数.相对于反函数y(f(1(x)来说,原来的函数y(f(x)称为直接函数.把函数y(f(x)和它的反函数y(f(1(x)的图形画在同一坐标平面上,这两个图形关于直线y(x是对称的.这是因为如果P(a,b)是y(f(x)图形上的点,则有b(f(a).按反函数的定义,有a(f(1(b),故Q(b,a)是y(f(1(x)图形上的点;反之,若Q(b,a)是y(f(1(x)图形上的点,则P(a,b)是y(f(x)图形上的点.而P(a,b)与Q(b,a)是关于直线y(x对称的.复合函数:复合函数是复合映射的一种特例,按照通常函数的记号,复合函数的概念可如下表述.设函数y(f(u)的定义域为D1,函数u(g(x)在D上有定义且g(D)(D1,则由下式确定的函数y(f[g(x)],x(D称为由函数u(g(x)和函数y(f(u)构成的复合函数,它的定义域为D,变量u称为中间变量.函数g与函数f构成的复合函数通常记为,即()(f[g(x)].与复合映射一样,g与f构成的复合函数的条件是:是函数g在D上的值域g(D)必须含在f的定义域Df内,即g(D)(Df.否则,不能构成复合函数.例如,y(f(u)(arcsinu,的定义域为[(1,1],在上有定义,且g(D)([(1,1],则g与f可构成复合函数,x(D;但函数y(arcsinu和函数u(2(x2不能构成复合函数,这是因为对任x(R,u(2(x2均不在y(arcsinu的定义域[(1,1]内.多个函数的复合:4.函数的运算设函数f(x),g(x)的定义域依次为D1,D2,D(D1(D2((,则我们可以定义这两个函数的下列运算:和(差)f(g:(f(g)(x)(f(x)(g(x),x(D;积f(g:(f(g)(x)(f(x)(g(x),x(D;商:,x(D\{x|g(x)(0}.例11设函数f(x)的定义域为((l,l),证明必存在((l,l)上的偶函数g(x)及奇函数h(x),使得f(x)(g(x)(h(x).分析如果f(x)(g(x)(h(x),则f((x)(g(x)(h(x),于是,.证作,,则f(x)(g(x)(h(x),且,.5.初等函数基本初等函数:幂函数:y(x((((R是常数);指数函数:y(ax(a(0且a(1);对数函数:y(logax(a(0且a(1,特别当a(e时,记为y(lnx);三角函数:y(sinx,y(cosx,y(tanx,y(cotx,y(secx,y(cscx;反三角函数:y(arcsinx,y(arccosx,y(arctanx,y(arccotx.初等函数:由常数和基本初等函数经过有限次的四则运算和有限次的函数复合步骤所构成并可用一个式子表示的函数,称为初等函数.例如,y(sin2x,等都是初等函数.双曲函数:双曲正弦:;双曲余弦:;双曲正切:.双曲函数的性质:sh(x(y)(shx(chy(chx(shy;ch(x(y)(chx(chy(shx(shy.ch2x(sh2x(1;sh2x(2shx(chx;ch2x(ch2x(sh2x.下面证明sh(x(y)(shx(chy(chx(shy:.反双曲函数:双曲函数y(shx,y(chx(x(0),y(thx的反函数依次为反双曲正弦:y(arshx;反双曲余弦:y(archx;反双曲正切:y(arthx.反双曲函数的表示达式:y(arshx是x(shy的反函数,因此,从中解出y来便是arshx.令u(ey,则由上式有u2(2xu(1(0.这是关于u的一个二次方程,它的根为.因为u(ey(0,故上式根号前应取正号,于是.由于y(lnu,故得.函数y(arshx的定义域为(((,((),它是奇函数,在区间(((,(()内为单调增加的.类似地可得,.§1(2数列的极限一个实际问题(如可用渐近的方程法求圆的面积？设有一圆(首先作内接正四边形(它的面积记为A1；再作内接正八边形(它的面积记为A2；再作内接正十六边形(它的面积记为A3；如此下去(每次边数加倍(一般把内接正8×2n(1边形的面积记为An(这样就得到一系列内接正多边形的面积(A1(A2(A3((((((((An((((设想n无限增大（记为n(((读作n趋于穷大）(即内接正多边形的边数无限增加(在这个过程中(内接正多边形无限接近于圆(同时An也无限接近于某一确定的数值(这个确定的数值就理解为圆的面积(这个确定的数值在数学上称为上面有次序的数（数列）A1(A2(A3(((((An((((当n((时的极限(数列的概念(如果按照某一法则(使得对任何一个正整数n有一个确定的数xn(则得到一列有次序的数x1(x2(x3(((((xn((((这一列有次序的数就叫做数列(记为{xn}(其中第n项xn叫做数列的一般项(数列的例子({}(((((((((((({2n(2(4(8(((((2n((((({}((((((((((((({((1)n(1(1((1(1(((((((1)n(1((((({}(2((((((((((((它们的一般项依次为(2n((((1)n(1((数列的几何意义(数列{xn}可以看作数轴上的一个动点(它依次取数轴上的点x1(x2(x3(((((xn(((((数列与函数(数列{xn}可以看作自变量为正整数n的函数(xn(f(n)(它的定义域是全体正整数(数列的极限(数列的极限的通俗定义：对于数列{xn}(如果当n无限增大时(数列的一般项xn无限地接近于某一确定的数值a(则称常数a是数列{xn}的极限(或称数列{xn}收敛a(记为(如果数列没有极限(就说数列是发散的(例如(((而{2n}({((1)n(1}(是发散的(对无限接近的刻划(xn无限接近于a等价于|xn(a|无限接近于0(极限的精确定义(定义如果数列{xn}与常a有下列关系(对于任意给定的正数不论它多么小(总存在正整数N(使得对于n>N时的一切xn(不等式|xn(a|<都成立(则称常数a是数列{xn}的极限(或者称数列{xn}收敛于a(记为或xn(a(n(()(如果数列没有极限(就说数列是发散的(((((0,(N(N((当n(N时(有|xn(a|((.数列极限的几何解释(例题(例1(证明(分析(|xn(1|(.对于(>0(要使|xn(1|((只要(即(证明(因为(((0,((N((当n(N时(有|xn(1|((所以(例2(证明(分析(|xn(0|(对于((0(要使|xn(0|((只要(即(证明(因为((0(((N((当n(N时(有|xn(0|((所以(例3(设|q|<1(证明等比数列1(q(q2(((((qn(1((((的极限是0(分析(对于任意给定的>0(要使|xn(0|(|qn(1(0|(|q|n(1<(只要n>log|q|(1就可以了(故可取N([log|q|(1]。证明(因为对于任意给定的>0(存在N([log|q|(1](当n(N时(有|qn(1(0|(|q|n(1<(所以(收敛数列的性质(定理1(极限的唯一性)数列{xn}不能收敛于两个不同的极限(证明(假设同时有及(且a<b(按极限的定义(对于>0(存在充分大的正整数N(使当n>N时(同时有|xn(a|<及|xn(b|<(因此同时有及(这是不可能的(所以只能有a=b(数列的有界性(对于数列xn}，如果存在着正数M，使得对一切xn都满足不等式|xn|(M(则称数列{xn}是有界的(如果这样的正数M不存在，就说数列{xn}是无界的定理2(收敛数列的有界性)如果数列{xn}收敛(那么数列{xn}一定有界(证明(设数列{xn}收敛(且收敛于a(根据数列极限的定义(对于(1(存在正整数N(使对于n>N时的一切xn(不等式|xn(a|<(1都成立(于是当n>N时(|xn|(|(xn(a)(a|(|xn(a|(|a|<1(|a|(取M(max{|x1|(|x2|(((((|xN|(1(|a|}(那么数列{xn}中的一切xn都满足不等式|xn|(M(这就证明了数列{xn}是有界的(定理3收敛数列的保号性)如果数列{xn}收敛于a,且a(0(或a(0)(那么存在正整数N(当n(N时(有xn(0(或xn(0)(证就a(0的情形证明(由数列极限的定义(对,(N(N(,当n(N时(有(从而(推论如果数列{xn}从某项起有xn(0(或xn(0)(且数列{xn}收敛于a(那么a(0(或a(0).证明就xn(0情形证明(设数列{xn}从N1项起(即当n(N1时有xn(0(现在用反证法证明(或a(0(则由定理3知((N2(N(,当n(N2时(有xn(0(取N(max{N1(N2}(当n(N时(按假定有xn(0(按定理3有xn(0(这引起矛盾(所以必有a(0.子数列(在数列{xn}中任意抽取无限多项并保持这些项在原数列中的先后次序(这样得到的一个数列称为原数列{xn}的子数列(例如(数列{xn}(1((1(1((1(((((((1)n(1(((的一子数列为{x2n}((1((1((1(((((((1)2n(1(((定理3(收敛数列与其子数列间的关系)如果数列{xn}收敛于a(那么它的任一子数列也收敛(且极限也是a(证明(设数列是数列{xn}的任一子数列(因为数列{xn}收敛于a(所以(>0((N(N+(当n(N时(有|xn(a|((取K(N(则当k(K时(nk(k(K(N(于是|(a|((这就证明了(讨论(1(对于某一正数0(如果存在正整数N(使得当n(N时(有|xn(a|(0(是否有xn(a(n(()(2(如果数列{xn}收敛(那么数列{xn}一定有界(发散的数列是否一定无界?有界的数列是否收敛?3(数列的子数列如果发散(原数列是否发散?数列的两个子数列收敛(但其极限不同(原数列的收敛性如何?发散的数列的子数列都发散吗？4．如何判断数列1((1(1((1(((((((1)N(1((((是发散的？§1(3函数的极限一、函数极限的定义函数的自变量有几种不同的变化趋势(x无限接近x0(x(x0(x从x0的左侧(即小于x0)无限接近x0(x(x0((x从x0的右侧(即大于x0)无限接近x0(x(x0((x的绝对值|x|无限增大(x(((x小于零且绝对值|x|无限增大(x((((x大于零且绝对值|x|无限增大(x((((1．自变量趋于有限值时函数的极限通俗定义(如果当x无限接近于x0(函数f(x)的值无限接近于常数A(则称当x趋于x0时(f(x)以A为极限(记作f(x)A或f(x)(A(当x()(分析(在x(x0的过程中(f(x)无限接近于A就是|f(x)(A|能任意小(或者说(在x与x0接近到一定程度(比如|x(x0|((((为某一正数)时(|f(x)(A|可以小于任意给定的(小的)正数((即f(x)(A|(((反之(对于任意给定的正数((如果x与x0接近到一定程度(比如|x(x0|((((为某一正数)就有|f(x)(A|(((则能保证当x(x0时(f(x)无限接近于A(定义1设函数f(x)在点x0的某一去心邻域内有定义(如果存在常数A(对于任意给定的正数((不论它多么小)(总存在正数((使得当x满足不等式0<|x(x0|((时(对应的函数值f(x)都满足不等式|f(x)(A|(((那么常数A就叫做函数f(x)当x(x0时的极限(记为或f(x)(A(当x(x0)(定义的简单表述(((((0((((0(当0(|x(x0|((时(|f(x)(A|(((函数极限的几何意义:例1(证明(证明(这里|f(x)(A|(|c(c|(0(因为(((0(可任取((0(当0(|x(x0|((时(有|f(x)(A|(|c(c|(0((所以(例2(证明(分析(|f(x)(A|(|x(x0|(因此(((0(要使|f(x)(A|(((只要x(x0|((证明(因为(((0((((((当0(|x(x0|((时(有|f(x)(A|(|x(x0|(((所以(例3(证明(分析(|f(x)(A|(|(2x(1)(1|(2|x(1|((((0(要使|f(x)(A|(((只要(证明(因为(((0(((((/2(当0(|x(1|((时(有|f(x)(A|(|(2x(1)(1|(2|x(1|(((所以(例4(证明(分析(注意函数在x(1是没有定义的(但这与函数在该点是否有极限并无关系(当x(1时(|f(x)(A|(|x(1|((((0(要使|f(x)(A|(((只要|x(1|(((证明(因为(((0(((((当0(|x(1|((时(有|f(x)(A|(|x(1|(((所以(单侧极限(若当x(x0(时(f(x)无限接近于某常数A(则常数A叫做函数f(x)当x(x0时的左极限(记为或f(()A(若当x(x0(时(f(x)无限接近于某常数A(则常数A叫做函数f(x)当x(x0时的右极限(记为或f(()A(讨论(1(左右极限的((((定义如何叙述?2(当x(x0时函数f(x)的左右极限与当x(x0时函数f(x)的极限之间的关系怎样?提示(左极限的(--(定义：((((0((((0((x(x0(((x(x0(有|f(x)(A|<((((((0((((0((x(x0(x(x0(((有|f(x)(A|<(((且(例5函数当x(0时的极限不存在(这是因为((((2．自变量趋于无穷大时函数的极限设f(x)当|x|大于某一正数时有定义(如果存在常数A(对于任意给定的正数((总存在着正数X(使得当x满足不等式|x|>X时(对应的函数数值f(x)都满足不等式|f(x)(A|<((则常数A叫做函数f(x)当x((时的极限(记为或f(x)(A(x(()(((((0((X(0(当|x|(X时(有|f(x)(A|(((类似地可定义和(结论((且(极限的定义的几何意义例6(证明(分析(((((0(要使|f(x)(A|(((只要(证明(因为(((0(((当|x|(X时(有(所以(直线y(0是函数的水平渐近线(一般地(如果(则直线y(c称为函数y(f(x)的图形的水平渐近线(二、函数极限的性质定理1(函数极限的唯一性)如果极限存在(那么这极限唯一(定理2(函数极限的局部有界性)如果f(x)(A(x(x0)(那么存在常数M(0和((使得当0(|x(x0|((时(有|f(x)|(M(证明因为f(x)(A(x(x0)(所以对于((1((((0(当0(|x(x0|((时(有|f(x)(A|(((1(于是|f(x)|(|f(x)(A(A|(|f(x)(A|(|A|(1(|A|(这就证明了在x0的去心邻域{x|0(|x(x0|((}内(f(x)是有界的(定理3(函数极限的局部保号性)如果f(x)(A(x(x0)(而且A(0(或A(0)(那么存在常数((0(使当0(|x(x0|((时(有f(x)(0(或f(x)(0)(证明就A(0的情形证明(因为(所以对于((((0(当0(|x(x0|((时(有(((0(定理3(如果f(x)(A(x(x0)(A(0)(那么存在点x0的某一去心邻域(在该邻域内(有(推论如果在x0的某一去心邻域内f(x)(0(或f(x)(0)(而且f(x)(A(x(x0)(那么A(0(或A(0)(证明(设f(x)(0(假设上述论断不成立(即设A<0(那么由定理1就有x0的某一去心邻域(在该邻域内f(x)(0(这与f(x)(0的假定矛盾(所以A(0(定理4(函数极限与数列极限的关系)如果当x(x0时f(x)的极限存在({xn}为f(x)的定义域内任一收敛于x0的数列(且满足xn(x0(n(N()(那么相应的函数值数列{f(xn)}必收敛(且(证明设f(x)(A(x(x0)(则(((0((((0(当0(|x(x0|((时(有|f(x)(A|(((又因为xn(x0(n(()(故对((0((N(N((当n(N时(有|xn(x0|(((由假设(xn(x0(n(N()(故当n(N时(0(|xn(x0|(((从而|f(xn)(A|(((即§1(4无穷小与无穷大一、无穷小如果函数f(x)当x(x0(或x(()时的极限为零(那么称函数f(x)为当x(x0(或x(()时的无穷小(特别地(以零为极限的数列{xn}称为n((时的无穷小(例如(因为(所以函数为当x((时的无穷小(因为(所以函数为x(1当x(1时的无穷小(因为(所以数列{}为当n((时的无穷小(讨论(很小很小的数是否是无穷小？0是否为无穷小？提示(无穷小是这样的函数(在x(x0(或x(()的过程中(极限为零(很小很小的数只要它不是零(作为常数函数在自变量的任何变化过程中(其极限就是这个常数本身(不会为零(无穷小与函数极限的关系(定理1在自变量的同一变化过程x(x0(或x(()中(函数f(x)具有极限A的充分必要条件是f(x)(A(((其中(是无穷小(证明(设((((0((((0(使当0(|x(x0|((时(有|f(x)(A|((令((f(x)(A(则(是x(x0时的无穷小(且f(x)(A(((这就证明了f(x)等于它的极限A与一个无穷小(之和(反之(设f(x)(A(((其中A是常数((是x(x0时的无穷小(于是|f(x)(A|(|(|(因(是x(x0时的无穷小((((0((((0(使当0(|x(x0|(((有|(|(或|f(x)(A|这就证明了A是f(x)当x(x0时的极限(简要证明(令((f(x)(A(则|f(x)(A|(|(|(如果(((0((((0(使当0(|x(x0|(((有f(x)(A|(就有|(|((反之如果(((0((((0(使当0(|x(x0|(((有|(|((就有f(x)(A|(这就证明了如果A是f(x)当x(x0时的极限(则(是x(x0时的无穷小(如果(是x(x0时的无穷小(则A是f(x)当x(x0时的极限(类似地可证明x((时的情形(例如(因为(而(所以(二、无穷大如果当x(x0(或x(()时(对应的函数值的绝对值|f(x)|无限增大(就称函数f(x)为当x(x0(或x(()时的无穷大(记为(或)(应注意的问题(当x(x0(或x(()时为无穷大的函数f(x)(按函数极限定义来说(极限是不存在的(但为了便于叙述函数的这一性态(我们也说“函数的极限是无穷大”(并记作(或)(讨论(无穷大的精确定义如何叙述？很大很大的数是否是无穷大?提示(((M(0((((0(当0(|x(|((时(有|f(x)|(M(正无穷大与负无穷大(((例2证明(证因为(M(0(((当0(|x(1|((时(有(所以(提示(要使(只要(铅直渐近线(如果(则称直线是函数y(f(x)的图形的铅直渐近线(例如(直线x(1是函数的图形的铅直渐近线(定理2(无穷大与无穷小之间的关系)在自变量的同一变化过程中(如果f(x)为无穷大(则为无穷小(反之(如果f(x)为无穷小(且f(x)(0(则为无穷大(简要证明(如果(且f(x)(0(那么对于((((0(当0(|x(|((时(有(由于当0(|x(|((时(f(x)(0(从而(所以为x(x0时的无穷大(如果(那么对于((((0(当0(|x(|((时(有(即(所以为x(x时的无穷小(简要证明(如果f(x)(0(x(x0)且f(x)(0(则(((0((((0(当0(|x(x0|((时(有|f(x)|(((即(所以f(x)(((x(x0)(如果f(x)(((x(x0)(则(M(0((((0(当0(|x(x0|((时(有|f(x)|(M(即(所以f(x)(0(x(x0)(§1(6极限运算法则定理1有限个无穷小的和也是无穷小(例如(当x(0时(x与sinx都是无穷小(x(sinx也是无穷小(简要证明(设(及(是当x(x0时的两个无穷小(则(((0(((1(0及(2(0(使当0(|x(x0|((1时(有|(|(((当0(|x(x0|((2时(有|(|(((取((min{(1((2}(则当0(|x(x0|((时(有|(((|(|(|(|(|(2((这说明(((也是无穷小(证明(考虑两个无穷小的和(设(及(是当x(x0时的两个无穷小(而((((((任意给定的((0(因为(是当x(x0时的无穷小(对于(0存在着(1(0(当0(|x(x0|((1时(不等式|(|(成立(因为(是当x(x0时的无穷小(对于(0存在着(2(0(当0(|x(x0|((2时(不等式|(|(成立(取((min{(1((2}(则当0(|x(x0|((时(|(|(及|(|(同时成立(从而|(|(|(((|(|(|(|(|(((((这就证时了(也是当x(x0时的无穷小(定理2有界函数与无穷小的乘积是无穷小(简要证明(设函数u在x0的某一去心邻域{x|0(|x(x0|((1}内有界(即(M(0(使当0(|x(x0|((1时(有|u|(M(又设(是当x(x0时的无穷小(即(((0(存在(2(0(使当0(|x(x0|((时(有|(|(((取((min{(1((2}(则当0(|x(x0|((时(有|u((|(M((这说明u((也是无穷小(例如(当x((时(是无穷小(arctanx是有界函数(所以arctanx也是无穷小(推论1常数与无穷小的乘积是无穷小(推论2有限个无穷小的乘积也是无穷小(定理3如果limf(x)(A(limg(x)(B(那么(1)lim[f(x)(g(x)](limf(x)(limg(x)(A(B((2)limf(x)(g(x)(limf(x)(limg(x)(A(B((3)(B(0)(证明(1)(因为limf(x)(A(limg(x)(B(根据极限与无穷小的关系(有f(x)(A(((g(x)(B(((其中(及(为无穷小(于是f(x)(g(x)((A(()((B(()((A(B)((((()(即f(x)(g(x)可表示为常数(A(B)与无穷小(((()之和(因此lim[f(x)(g(x)](limf(x)(limg(x)(A(B(推论1如果limf(x)存在(而c为常数(则lim[cf(x)](climf(x)(推论2如果limf(x)存在(而n是正整数(则lim[f(x)]n([limf(x)]n(定理4设有数列{xn}和{yn}(如果((那么(1)((2)((3)当(n(1(2(((()且B(0时((定理5如果(x)((x)(而lim(x)(a(lim((x)(b(那么a(b(例1(求(解((讨论(若(则提示((a0x0n(a1x0n(1(((((an(P(x0)(若(则(例2(求(解(EMBEDEquation.3EMBEDEquation.3(提问(如下写法是否正确？EMBEDEquation.3(EMBEDEquation.3(例3(求(解((例4(求(解((根据无穷大与无穷小的关系得(((提问(如下写法是否正确？(讨论(有理函数的极限提示当时((当且时((当Q(x0)(P(x0)(0时(先将分子分母的公因式(x(x0)约去(例5求(解(先用x3去除分子及分母(然后取极限((例6求(解(先用x3去除分子及分母(然后取极限((例7(求(解(因为(所以(讨论(有理函数的极限提示例8(求(解(当x((时(分子及分母的极限都不存在(故关于商的极限的运算法则不能应用(因为(是无穷小与有界函数的乘积(所以(定理8(复合函数的极限运算法则)设函数y(f[g(x)]是由函数y(f(u)与函数u(g(x)复合而成(f[g(x)]在点x0的某去心邻域内有定义(若((且在x0的某去心邻域内g(x)(u0(则(定理8(复合函数的极限运算法则)设函数y(f[g(x)]是由函数y(f(u)与函数u(g(x)复合而成(f[g(x)]在点x0的某去心邻域内有定义(若g(x)(u0(x(x0)(f(u)(A(u(u0)(且在x0的某去心邻域内g(x)(u0(则(简要证明设在{x|0(|x(x0|((0}内g(x)(u0(要证(((0((((0(当0(|x(x0|((时(有|f[g(x)](A|(((因为f(u)(A(u(u0)(所以(((0((((0(当0(|u(u0|((时(有|f(u)(A|(((又g(x)(u0(x(x0)(所以对上述((0(((1(0(当0(|x(x0|((1时(有|g(x)(u0|(((取((min{(0((1}(则当0(|x(x0|((时(0<|g(x)(u0|(((从而|f[g(x)](A|(|f(u)(A|(((注(把定理中换成或(而把换成可类似结果(把定理中g(x)(u0(x(x0)换成g(x)(((x(x0)或g(x)(((x(()(而把f(u)(A(u(u0)换成f(u)(A(u(()可类似结果(例如例9求(解是由与复合而成的(因为(所以(§1(7极限存在准则两个重要极限准则I如果数列{xn}、{yn}及{zn}满足下列条件((1)yn(xn(zn(n1(2(3(((()((2)((那么数列{xn}的极限存在(且(证明(因为((以根据数列极限的定义(((0((N1(0(当n(N1时(有|yna|((又(N2(0(当n(N2时(有|zna|((现取Nmax{N1(N2}(则当n(N时(有|yna|((|zna|(同时成立(即a(yn(a(a(zn(a(同时成立(又因yn(xn(zn(所以当n(N时(有a(yn(xn(zn(a(即|xna|((这就证明了(简要证明(由条件(2)(((0((N(0(当n(N时(有|yna|(及|zna|((即有a(yn(a(a(zn(a(由条件(1)(有a(yn(xn(zn(a(即|xna|((这就证明了(准则I(如果函数f(x)、g(x)及h(x)满足下列条件((1)g(x)(f(x)(h(x)((2)limg(x)(A(limh(x)(A(那么limf(x)存在(且limf(x)(A(注如果上述极限过程是x(x0(要求函数在x0的某一去心邻域内有定义(上述极限过程是x(((要求函数当|x|(M时有定义(准则I及准则I(称为夹逼准则(下面根据准则I(证明第一个重要极限((证明首先注意到(函数对于一切x(0都有定义(参看附图(图中的圆为单位圆(BC(OA(DA(OA(圆心角(AOBx(0(x()(显然sinxCB(x(tanxAD(因为S(AOB(S扇形AOB(S(AOD(所以sinx(x(tanx(即sinx(x(tanx(不等号各边都除以sinx(就有(或(注意此不等式当(x(0时也成立(而(根据准则I(((简要证明(参看附图(设圆心角(AOBx()(显然BC(AB(AD(因此sinx(x(tanx(从而(此不等式当x(0时也成立)(因为(根据准则I(((应注意的问题(在极限中(只要(x)是无穷小(就有(这是因为(令u(x)(则u(0(于是EMBEDEquation.3(((x)(0)例1(求(解(EMBEDEquation.3EMBEDEquation.3(例2(求(解(((准则II单调有界数列必有极限(如果数列{xn}满足条件x1(x2(x3(((((xn(xn1(((((就称数列{xn}是单调增加的(如果数列{xn}满足条件x1(x2(x3(((((xn(xn1(((((就称数列{xn}是单调减少的(单调增加和单调减少数列统称为单调数列(如果数列{xn}满足条件xn(xn1(n(N((在第三节中曾证明(收敛的数列一定有界(但那时也曾指出(有界的数列不一定收敛(现在准则II表明(如果数列不仅有界(并且是单调的(那么这数列的极限必定存在(也就是这数列一定收敛(准则II的几何解释(单调增加数列的点只可能向右一个方向移动(或者无限向右移动(或者无限趋近于某一定点A(而对有界数列只可能后者情况发生(根据准则II(可以证明极限存在(设现证明数列{xn}是单调有界的(按牛顿二项公式(有((比较xn(xn(1的展开式(可以看出除前两项外(xn的每一项都小于xn(1的对应项(并且xn(1还多了最后一项(其值大于0(因此xn(xn(1(这就是说数列{xn}是单调有界的(这个数列同时还是有界的(因为xn的展开式中各项括号内的数用较大的数1代替(得(根据准则II(数列{xn}必有极限(这个极限我们用e来表示(即(我们还可以证明(e是个无理数(它的值是e2(718281828459045((((指数函数yex以及对数函数ylnx中的底e就是这个常数(在极限中(只要(x)是无穷小(就有(这是因为(令(则u(((于是EMBEDEquation.3((((x)(0)(例3(求(解(令tx(则x((时(t(((于是EMBEDEquation.3EMBEDEquation.3(或EMBEDEquation.3(§1(7无穷小的比较1、无穷小的比较定义设某一极限过程中,与都是无穷小,且（为常数）.(1)若，则称是比高阶的无穷小，记成(此时，也称是比低阶的无穷小)．(2)若，则称与是同阶无穷小，特别地，若，则称与是等价无穷小，记为．例如，即；即．定理1与是等价无穷小的充分必要条件为证（略）定理2　设；证则．　例12求．解　当时，,,所以例13求．解　因为当时,,,所以常用的几个等价无穷小代换当时,有，，，，，，，，例（略）§1(8函数的连续性与间断点一、函数的连续性变量的增量(设变量u从它的一个初值u1变到终值u2(终值与初值的差u2u1就叫做变量u的增量(记作u(即uu2u1(设函数yf(x)在点x0的某一个邻域内是有定义的(当自变量x在这邻域内从x0变到x0x时(函数y相应地从f(x0)变到f(x0x)(因此函数y的对应增量为yf(x0x)f(x0)(函数连续的定义设函数yf(x)在点x0的某一个邻域内有定义(如果当自变量的增量xxx0趋于零时(对应的函数的增量yf(x0x)f(x0)也趋于零(即(或(那么就称函数yf(x)在点x0处连续(注(①②设xx0+x(则当x(0时(x(x0(因此(((函数连续的等价定义2(设函数yf(x)在点x0的某一个邻域内有定义(如果对于任意给定义的正数(总存在着正数(使得对于适合不等式|xx0|<的一切x(对应的函数值f(x)都满足不等式|f(x)f(x0)|<(那么就称函数yf(x)在点x0处连续(左右连续性(如果(则称yf(x)在点处左连续(如果(则称yf(x)在点处右连续(左右连续与连续的关系(函数yf(x)在点x0处连续(函数yf(x)在点x0处左连续且右连续(函数在区间上的连续性(在区间上每一点都连续的函数(叫做在该区间上的连续函数(或者说函数在该区间上连续(如果区间包括端点(那么函数在右端点连续是指左连续(在左端点连续是指右连续(连续函数举例(1(如果f(x)是多项式函数(则函数f(x)在区间(((()内是连续的(这是因为(f(x)在(((()内任意一点x0处有定义(且2(函数在区间[0(()内是连续的(3(函数ysinx在区间(((()内是连续的(证明(设x为区间(((()内任意一点(则有y(sin(x(x)(sinx(因为当x(0时(y是无穷小与有界函数的乘积(所以(这就证明了函数ysinx在区间(((()内任意一点x都是连续的．4(函数ycosx在区间(((()内是连续的(二、函数的间断点间断定义(设函数f(x)在点x0的某去心邻域内有定义(在此前提下(如果函数f(x)有下列三种情形之一((1)在x0没有定义((2)虽然在x0有定义(但f(x)不存在((3)虽然在x0有定义且f(x)存在(但f(x)(f(x0)(则函数f(x)在点x0为不连续(而点x0称为函数f(x)的不连续点或间断点(例1(正切函数ytanx在处没有定义(所以点是函数tanx的间断点(因为(故称为函数tanx的无穷间断点(例2(函数在点x0没有定义(所以点x0是函数的间断点(当x(0时(函数值在1与1之间变动无限多次(所以点x0称为函数的振荡间断点(例3(函数在x1没有定义(所以点x1是函数的间断点(因为EMBEDEquation.3(如果补充定义(令x1时y2(则所给函数在x1成为连续(所以x1称为该函数的可去间断点(例4(设函数(因为(((所以x1是函数f(x)的间断点(如果改变函数f(x)在x1处的定义(令f(1)1(则函数f(x)在x1成为连续(所以x1也称为该函数的可去间断点(例5(设函数(因为((所以极限不存在(x(0是函数f(x)的间断点(因函数f(x)的图形在x0处产生跳跃