前言

关于极限

极限的概念来源于客观实际,比较普遍的一个例子是用内接正多边形求圆的面积.之所以用内接正多边形求圆的面积,是因为圆是曲边形,不能直接应用已知面积公式的正方形,长方形,三角形等的面积公式直接求解.

一个确定了半径$R$的圆,其大小是确定的,面积是一个实数,设为$S = \pi {R^2}$.

作圆的内接正六边形,其面积为${S_6}$,显然${S_6} < S$.

作圆的内接正十二边形,其面积为${S_{12}}$,有${S_6} < {S_{12}} < S$.

随着正多边形边数的增加,内接正多边形的面积${S_n}$越来越大,越来越接近$S$,如果用${S_n}$代替圆的面积$S$,则误差$\delta = |{S_n} - S|$将随着$n$的增加而减小,但是当$n$确定了,其面积${S_n}$就小于圆的面积$S$,即${S_n} < S$,显然,只有$n$取正无穷大(记为$ + \infty $)时,圆的内接正$n$边形的面积才等于圆的面积.用极限表达式表达为

$$\mathop {\lim }\limits_{n \to + \infty } {S_n} = S$$

在教科书中,我们将上式读作:当自变量$n$趋于正无穷大时,${S_n}$的极限等于$S$.注意“趋于”这两个字,在上面的表达式中,只有$n$取正无穷大,${S_n}$才等于$S$,即上式极限的意思是$n = + \infty $时, ${S_n} = S$,即

$$\mathop {\lim }\limits_{n \to + \infty } {S_n} = S \Leftrightarrow n = + \infty 时,{S_n} = S.$$

但是有一个麻烦,因为不存在最大的实数,所以无法让$n = + \infty $成立,这种情况,在一般函数中,就是

$$\mathop {\lim }\limits_{x \to {x_0}} f(x) = A$$

即$x$趋于${x_0}$时,函数$f(x)$的极限等于$A$,对于这个极限表达式,我们可能也有种种原因,导致$x$只能无限接近${x_0}$却不能等于${x_0}$,但是,$\mathop {\lim }\limits_{x \to {x_0}} f(x) = A$的含义,依然是,当$x = {x_0}$时,$f(x) = A$,即$\mathop {\lim }\limits_{x \to {x_0}} f(x) = A$等价于$f({x_0}) = A$ .

所以,对于极限表达式$\mathop {\lim }\limits_{x \to {x_0}} f(x) = A$,我们应该明白两点:

1. 只有$x = {x_0}$时,$f(x) = A$,即$f({x_0}) = A$;

2. 出于种种原因,我们无法使$x = {x_0}$.

很显然,在圆面积的例子中,如果我们能取正无穷大,直接用公式就能计算出圆的面积的精确值,而不是得到一个无限不循环的圆面积的近似值$S = \pi {R^2}$.

正是因为自变量$n \ne + \infty $或$x \ne {x_0}$,使得我们在定义极限时,需要用去心邻域.

很多人误以为$x \ne {x_0}$,使得用极限定义求出来的极限$A$不是$x = {x_0}$时需要的精确值.我们来看下面的式子:

$$\mathop {\lim }\limits_{x \to {x_0}} \frac{{f(x) - f({x_0})}}{{x - {x_0}}} = A$$

首先一点,$x \ne {x_0}$,否则表达式分母为零,不能成立.所以有人会说,$A$不是$x = {x_0}$时$\frac{{f(x) - f({x_0})}}{{x - {x_0}}}$的精确值.这个问题问的非常好,很有逻辑性,任何一个学极限的人,都应该问这个问题.让我们再来回忆一下圆面积的例子中的极限表达式

$$\mathop {\lim }\limits_{n \to + \infty } {S_n} = S$$

在这个例子中,我们说,$n = + \infty $时,${S_n} = S$,同样地,对于表达式$\mathop {\lim }\limits_{x \to {x_0}} \frac{{f(x) - f({x_0})}}{{x - {x_0}}} = A$,也是$x = {x_0}$时,$\frac{{f(x) - f({x_0})}}{{x - {x_0}}} = A$,所以,我们用这个极限表达式$\mathop {\lim }\limits_{x \to {x_0}} \frac{{f(x) - f({x_0})}}{{x - {x_0}}} = A$的目的,是说当$x = {x_0}$成立时,才有$\frac{{f(x) - f({x_0})}}{{x - {x_0}}} = A$,你要用它的极限$A$,就必须是$x = {x_0}$,但是当$x = {x_0}$时,分母为零了,怎么办?这个问题的解决,涉及到如何求出$A$,实际上我们在求$A$的过程中,可以化解这个问题,请看例子:

设$y = f(x) = {x^2} + 5$,求$$\mathop {\lim }\limits_{x \to {x_0}} \frac{{f(x) - f({x_0})}}{{x - {x_0}}}.$$

$$\eqalign{ & \mathop {\lim }\limits_{x \to {x_0}} \frac{{f(x) - f({x_0})}}{{x - {x_0}}} \cr & = \mathop {\lim }\limits_{x \to {x_0}} \frac{{{x^2} + 5 - ({x_0}^2 + 5)}}{{x - {x_0}}} \cr & = \mathop {\lim }\limits_{x \to {x_0}} \frac{{{x^2} + 5 - {x_0}^2 - 5}}{{x - {x_0}}} \cr & = \mathop {\lim }\limits_{x \to {x_0}} \frac{{{x^2} - {x_0}^2}}{{x - {x_0}}} \cr & = \mathop {\lim }\limits_{x \to {x_0}} \frac{{(x + {x_0})(x - {x_0})}}{{x - {x_0}}} \cr & = \mathop {\lim }\limits_{x \to {x_0}} (x + {x_0}) = 2{x_0} \cr} $$

在圆面积的例子中,$n \ne + \infty $,但是在其他例子中,比如$\mathop {\lim }\limits_{x \to {x_0}} (x + {x_0})$中,$x = {x_0}$时$x + {x_0}$依然成立,因此有$\mathop {\lim }\limits_{x \to {x_0}} (x + {x_0}) = 2{x_0}$,这是函数连续性的定义,实际上我们只要知道,现实中要求$n \ne + \infty $或$x \ne {x_0}$,都是因为要么无法取值($n \ne + \infty $),要么取值后数学表达式不能成立($x = {x_0},\frac{{f(x) - f({x_0})}}{{x - {x_0}}}$不成立),数学式子的不成立,也有客观物理意义的,比如分母为零后速度的概念就不存在了.

注意这个比较:

$$\mathop {\lim }\limits_{x \to {x_0}} \frac{{f(x) - f({x_0})}}{{x - {x_0}}} = A$$ $$\mathop {\lim }\limits_{x \to {x_0}} \frac{{f(x) - f({x_0})}}{{x - {x_0}}} = 2{x_0}$$

虽然$x \ne {x_0}$,但是$A = 2{x_0}$却是使$x = {x_0}$时得到的,这与前面说到的$\mathop {\lim }\limits_{x \to {x_0}} \frac{{f(x) - f({x_0})}}{{x - {x_0}}} = A$表示$x = {x_0}$时,$\frac{{f(x) - f({x_0})}}{{x - {x_0}}} = A$相一致.

假如上式是求位移函数$f(x)$在$x = {x_0}$的瞬时速度,则$x \ne {x_0}$使得我们的定义式有意义,包括求平均速度时保证了时间间隔不为0,从而速度的概念得以成立,以及使表达式的分母不为零,从而数学表达式也成立.

其次,最终求出来的$A = 2{x_0}$却是$x = {x_0}$时我们需要的那个值,这相当于当$n = + \infty $时,我们求出了圆的面积$S$.

总结:

任何一个极限表达式$\mathop {\lim }\limits_{x \to {x_0}} f(x) = A$,其基本含义是指:

1. $A$是$x = {x_0}$时$f(x)$的值,即$f({x_0}) = A$;

2. 由于客观实际或数学表达式要成立的原因,$x$不能等于${x_0}$,即$x \ne {x_0}$.

$x \ne {x_0}$是客观实际或数学表达式成立所要求的,而$A$的求得,却只能是$x = {x_0}$才行.

证明极限的例子

在求圆面积的例子中,证明$\mathop {\lim }\limits_{n \to + \infty } {S_n} = S$.

这是要证明$n$趋于正无穷大时,${S_n} = S$,实际上${S_n} = S$的必要条件是$n$等于正无穷大,因此趋于就是等于.由于不存在最大的数,$n$无法取正无穷大,因此不能直接代入,验证${S_{ + \infty }} = S$,我们有一个办法,即存在一个事实,$n$越大,${S_n}$与$S$的误差$\delta = |{S_n} - S|$会越小,也就是说,如果$S$是$n$越来越大时${S_n}$的极限、${S_n}$最终要到达的那个数,那么${S_n}$与$S$的误差$\delta = |{S_n} - S|$可以要多小有多小,即任何你给定的多么小的误差$\delta $,${S_n}$与$S$的误差都可以比它小,$\forall \delta $,都有$|{S_n} - S| < \delta $,由于误差是正数,因此把$\forall \delta $改为$\forall \delta > 0$,即$\forall \delta > 0$,都有$|{S_n} - S| < \delta $,通过给定的$\delta $和表达式$|{S_n} - S| < \delta $,可以找到(计算出)一个$N$,当$n > N$时,$|{S_n} - S| < \delta $成立,即$\forall \delta > 0,\exists N,$当$n > N$时,$|{S_n} - S| < \delta $成立.

对于一般函数$f(x)$在$x = {x_0}$处的极限,用数学表达式表示为

$$\forall \delta > 0,\exists \varepsilon > 0,当0 < |x - {x_0}| < \varepsilon 时,$$ $$|f(x) - A| < \delta 成立.$$