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第一章 函数与极限 ​

考试大纲 ​

  1. 理解函数的概念,掌握函数的表示法
  2. 了解函数的有界性、单调性、周期性和奇偶性
  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
  6. 掌握极限的性质及四则运算法则
  7. 掌握极限存在的两个准则,并会利用它们求极限
  8. 掌握两个重要极限求极限的方法
  9. 理解无穷小量、无穷大量的概念,掌握无穷小量的比较方法
  10. 理解函数连续性的概念,会判别函数间断点的类型

核心知识点 ​

1. 极限的定义 ​

数列极限 ​

设 {xn}\{x_n\} 为一数列,如果存在常数 aa,对于任意给定的正数 ε\varepsilon(不论它多么小),总存在正整数 NN,使得当 n>Nn > N 时,不等式

∣xn−a∣<ε|x_n - a| < \varepsilon

都成立,那么就称常数 aa 是数列 {xn}\{x_n\} 的极限,记作:

lim⁡n→∞xn=a\lim_{n \to \infty} x_n = a

函数极限 ​

设函数 f(x)f(x) 在点 x0x_0 的某一去心邻域内有定义。如果存在常数 AA,对于任意给定的正数 ε\varepsilon,总存在正数 δ\delta,使得当 0<∣x−x0∣<δ0 < |x - x_0| < \delta 时,有

∣f(x)−A∣<ε|f(x) - A| < \varepsilon

则称 AA 为函数 f(x)f(x) 当 x→x0x \to x_0 时的极限,记作:

lim⁡x→x0f(x)=A\lim_{x \to x_0} f(x) = A


2. 两个重要极限 ​

第一个重要极限 ​

lim⁡x→0sin⁡xx=1\lim_{x \to 0} \frac{\sin x}{x} = 1

推广形式:

lim⁡x→0sin⁡kxx=k,lim⁡x→0tan⁡xx=1\lim_{x \to 0} \frac{\sin kx}{x} = k, \quad \lim_{x \to 0} \frac{\tan x}{x} = 1

第二个重要极限 ​

lim⁡x→∞(1+1x)x=e\lim_{x \to \infty} \left(1 + \frac{1}{x}\right)^x = e

等价形式:

lim⁡x→0(1+x)1x=e\lim_{x \to 0} (1 + x)^{\frac{1}{x}} = e

推广形式:

lim⁡x→∞(1+kx)x=ek\lim_{x \to \infty} \left(1 + \frac{k}{x}\right)^x = e^k


3. 无穷小量的比较 ​

设 α\alpha 和 β\beta 都是在同一个自变量的变化过程中的无穷小。

  • 如果 lim⁡βα=0\lim \frac{\beta}{\alpha} = 0,就说 β\beta 是比 α\alpha 高阶的无穷小,记作 β=o(α)\beta = o(\alpha)
  • 如果 lim⁡βα=∞\lim \frac{\beta}{\alpha} = \infty,就说 β\beta 是比 α\alpha 低阶的无穷小
  • 如果 lim⁡βα=c≠0\lim \frac{\beta}{\alpha} = c \neq 0,就说 β\beta 与 α\alpha 是同阶无穷小
  • 如果 lim⁡βα=1\lim \frac{\beta}{\alpha} = 1,就说 β\beta 与 α\alpha 是等价无穷小,记作 α∼β\alpha \sim \beta

常用等价无穷小(当 x→0x \to 0 时) ​

原式等价式原式等价式
sin⁡x\sin xxxtan⁡x\tan xxx
arcsin⁡x\arcsin xxxarctan⁡x\arctan xxx
1−cos⁡x1 - \cos x12x2\frac{1}{2}x^2ln⁡(1+x)\ln(1+x)xx
ex−1e^x - 1xxax−1a^x - 1xln⁡ax \ln a
(1+x)α−1(1+x)^\alpha - 1αx\alpha x1+xn−1\sqrt[n]{1+x} - 1xn\frac{x}{n}

4. 极限运算法则 ​

设 lim⁡f(x)=A\lim f(x) = A,lim⁡g(x)=B\lim g(x) = B,则:

  1. lim⁡[f(x)±g(x)]=A±B\lim [f(x) \pm g(x)] = A \pm B
  2. lim⁡[f(x)⋅g(x)]=A⋅B\lim [f(x) \cdot g(x)] = A \cdot B
  3. lim⁡f(x)g(x)=AB\lim \frac{f(x)}{g(x)} = \frac{A}{B}(B≠0B \neq 0)

注意: 只有当 lim⁡f(x)\lim f(x) 和 lim⁡g(x)\lim g(x) 都存在时,才能使用上述法则。


5. 洛必达法则 ​

设:

  1. 当 x→ax \to a(或 x→∞x \to \infty)时,函数 f(x)f(x) 及 F(x)F(x) 都趋于零(或都趋于无穷大)
  2. 在点 aa 的某去心邻域内(或当 ∣x∣>N|x| > N 时),f′(x)f'(x) 及 F′(x)F'(x) 都存在且 F′(x)≠0F'(x) \neq 0
  3. lim⁡f′(x)F′(x)\lim \frac{f'(x)}{F'(x)} 存在(或为无穷大)

则:

lim⁡f(x)F(x)=lim⁡f′(x)F′(x)\lim \frac{f(x)}{F(x)} = \lim \frac{f'(x)}{F'(x)}

适用类型: 00\frac{0}{0} 型、∞∞\frac{\infty}{\infty} 型

可转化类型: 0⋅∞0 \cdot \infty、∞−∞\infty - \infty、000^0、1∞1^\infty、∞0\infty^0


典型例题 ​

例题 1:利用等价无穷小求极限 ​

求 lim⁡x→0tan⁡x−sin⁡xx3\lim_{x \to 0} \frac{\tan x - \sin x}{x^3}

解:

lim⁡x→0tan⁡x−sin⁡xx3=lim⁡x→0sin⁡x(1cos⁡x−1)x3\lim_{x \to 0} \frac{\tan x - \sin x}{x^3} = \lim_{x \to 0} \frac{\sin x(\frac{1}{\cos x} - 1)}{x^3}

=lim⁡x→0sin⁡xx⋅1−cos⁡xx2⋅1cos⁡x= \lim_{x \to 0} \frac{\sin x}{x} \cdot \frac{1 - \cos x}{x^2} \cdot \frac{1}{\cos x}

=1⋅12⋅1=12= 1 \cdot \frac{1}{2} \cdot 1 = \boxed{\frac{1}{2}}

例题 2:利用洛必达法则 ​

求 lim⁡x→0ex−e−x−2xx−sin⁡x\lim_{x \to 0} \frac{e^x - e^{-x} - 2x}{x - \sin x}

解:(00\frac{0}{0} 型,连续使用洛必达法则)

lim⁡x→0ex−e−x−2xx−sin⁡x=lim⁡x→0ex+e−x−21−cos⁡x\lim_{x \to 0} \frac{e^x - e^{-x} - 2x}{x - \sin x} = \lim_{x \to 0} \frac{e^x + e^{-x} - 2}{1 - \cos x}

=lim⁡x→0ex−e−xsin⁡x=lim⁡x→0ex+e−xcos⁡x=2= \lim_{x \to 0} \frac{e^x - e^{-x}}{\sin x} = \lim_{x \to 0} \frac{e^x + e^{-x}}{\cos x} = \boxed{2}

例题 3:1∞1^\infty 型极限 ​

求 lim⁡x→0(cos⁡x)1x2\lim_{x \to 0} (\cos x)^{\frac{1}{x^2}}

解:

设 y=(cos⁡x)1x2y = (\cos x)^{\frac{1}{x^2}},则 ln⁡y=ln⁡cos⁡xx2\ln y = \frac{\ln \cos x}{x^2}

lim⁡x→0ln⁡y=lim⁡x→0ln⁡cos⁡xx2=lim⁡x→0ln⁡[1+(cos⁡x−1)]x2\lim_{x \to 0} \ln y = \lim_{x \to 0} \frac{\ln \cos x}{x^2} = \lim_{x \to 0} \frac{\ln[1 + (\cos x - 1)]}{x^2}

利用等价无穷小:ln⁡[1+(cos⁡x−1)]∼cos⁡x−1∼−x22\ln[1 + (\cos x - 1)] \sim \cos x - 1 \sim -\frac{x^2}{2}

lim⁡x→0ln⁡y=lim⁡x→0−x22x2=−12\lim_{x \to 0} \ln y = \lim_{x \to 0} \frac{-\frac{x^2}{2}}{x^2} = -\frac{1}{2}

所以原极限 =e−12=1e= e^{-\frac{1}{2}} = \boxed{\frac{1}{\sqrt{e}}}


易错点提醒 ​

常见错误

  1. 等价无穷小替换只能用于乘除,不能用于加减

    • 错误:lim⁡x→0tan⁡x−sin⁡xx3=lim⁡x→0x−xx3=0\lim_{x \to 0} \frac{\tan x - \sin x}{x^3} = \lim_{x \to 0} \frac{x - x}{x^3} = 0
    • 正确:需要提取公因式或使用泰勒展开
  2. 洛必达法则使用前要验证条件

    • 必须是 00\frac{0}{0} 或 ∞∞\frac{\infty}{\infty} 型
    • 导数之比的极限必须存在(或为无穷大)
  3. 极限四则运算法则的使用前提

    • 各极限必须分别存在才能拆分计算
  4. 注意自变量的变化趋势

    • x→0x \to 0 与 x→∞x \to \infty 时,等价无穷小完全不同

本章小结 ​

  1. 理解极限的 ε\varepsilon-NN、ε\varepsilon-δ\delta 定义
  2. 熟练掌握两个重要极限及其变形
  3. 掌握等价无穷小替换求极限的方法
  4. 熟练使用洛必达法则解决不定式极限
  5. 理解无穷小量的阶的比较

下一章预告: 导数与微分——研究函数变化率的工具

考研加油!