極限的局部性質

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最後更新: 標籤: 微積分, 極限

知道個別極限存在只是起點。實際計算中,你往往要將複雜的函式由簡單的函式透過加法、乘法、除法等方式組合而來。本章的定理保證極限尊重所有這些運算,讓你可以逐段計算極限,而不必每次都回到 ε–δ。

在本章中,ff 與 gg 是定義在 aa 附近(但不一定在 aa 本身)的集合 DD 上的實值函式,且 lim⁡x→af(x)=L\lim_{x \to a} f(x) = L,lim⁡x→ag(x)=M\lim_{x \to a} g(x) = M。

極限的算術法則

定理。 在上述假設下:

  1. lim⁡x→a(f±g)(x)=L±M\displaystyle\lim_{x \to a}(f \pm g)(x) = L \pm M
  2. lim⁡x→a(f⋅g)(x)=L⋅M\displaystyle\lim_{x \to a}(f \cdot g)(x) = L \cdot M
  3. lim⁡x→af(x)g(x)=LM\displaystyle\lim_{x \to a}\frac{f(x)}{g(x)} = \frac{L}{M},前提是 M≠0M \neq 0
  4. lim⁡x→a(c⋅f)(x)=c⋅L\displaystyle\lim_{x \to a}(c \cdot f)(x) = c \cdot L,其中 c∈Rc \in \mathbb{R} 為任意常數

(1) 的證明。 給定 ε>0\varepsilon > 0,取 δ1\delta_1 使得對 0<∣x−a∣<δ10 < |x - a| < \delta_1 有 ∣f(x)−L∣<ε/2|f(x) - L| < \varepsilon/2,取 δ2\delta_2 使得對 0<∣x−a∣<δ20 < |x - a| < \delta_2 有 ∣g(x)−M∣<ε/2|g(x) - M| < \varepsilon/2。則對 0<∣x−a∣<min⁡(δ1,δ2)0 < |x - a| < \min(\delta_1, \delta_2):

∣(f±g)(x)−(L±M)∣≤∣f(x)−L∣+∣g(x)−M∣<ε2+ε2=ε.□|(f \pm g)(x) - (L \pm M)| \leq |f(x) - L| + |g(x) - M| < \frac{\varepsilon}{2} + \frac{\varepsilon}{2} = \varepsilon. \quad\square

(2) 的證明。 寫

f(x)g(x)−LM=f(x)(g(x)−M)+M(f(x)−L).f(x) g(x) - LM = f(x)(g(x) - M) + M(f(x) - L).

當 xx 充分靠近 aa 時,ff 有界:∣f(x)∣≤∣L∣+1|f(x)| \leq |L| + 1。因 g(x)→Mg(x) \to M 且 f(x)→Lf(x) \to L,兩項均趨向零。□\square

商的法則 (3) 由 (2) 和 1/g(x)→1/M1/g(x) \to 1/M(M≠0M \neq 0 時)推得,後者由標準 ε–δ 論證、利用 ∣g(x)∣>∣M∣/2|g(x)| > |M|/2 在 aa 附近成立加以證明。

夾擠定理

當無法直接計算極限時,將函式夾在兩個較簡單的界之間往往奏效。

定理(夾擠定理 / Squeeze theorem)。 設對 aa 附近(x≠ax \neq a)的所有 x∈Dx \in D 都有 h(x)≤f(x)≤k(x)h(x) \leq f(x) \leq k(x),且

lim⁡x→ah(x)=lim⁡x→ak(x)=L.\lim_{x \to a} h(x) = \lim_{x \to a} k(x) = L.

則 lim⁡x→af(x)=L\lim_{x \to a} f(x) = L。

證明。 給定 ε>0\varepsilon > 0,取 δ\delta 足夠小,使得對 0<∣x−a∣<δ0 < |x - a| < \delta 同時有 ∣h(x)−L∣<ε|h(x) - L| < \varepsilon 和 ∣k(x)−L∣<ε|k(x) - L| < \varepsilon。則

L−ε<h(x)≤f(x)≤k(x)<L+ε,L - \varepsilon < h(x) \leq f(x) \leq k(x) < L + \varepsilon,

故 ∣f(x)−L∣<ε|f(x) - L| < \varepsilon。□\square

例。 對任意滿足 ∣b(x)∣≤1|b(x)| \leq 1 的函式 bb,

lim⁡x→0x⋅b(x)=0,\lim_{x \to 0} x \cdot b(x) = 0,

因為 −∣x∣≤x⋅b(x)≤∣x∣-|x| \leq x \cdot b(x) \leq |x| 且 lim⁡x→0∣x∣=0\lim_{x \to 0} |x| = 0。

lim⁡x→0xsin⁡(1/x)=0\lim_{x \to 0} x \sin(1/x) = 0 即由此建立:sin⁡(1/x)\sin(1/x) 在 00 附近劇烈振盪,但始終以 11 為界,故 xx 的因子迫使乘積趨向 00。

序保持性

定理。 若對 aa 附近(x≠ax \neq a)的所有 x∈Dx \in D 都有 f(x)≤g(x)f(x) \leq g(x),則 L≤ML \leq M。

證明。 反設 L>ML > M。取 ε=(L−M)/2>0\varepsilon = (L - M)/2 > 0。當 xx 足夠靠近 aa 時,f(x)>L−ε=(L+M)/2f(x) > L - \varepsilon = (L + M)/2 且 g(x)<M+ε=(L+M)/2g(x) < M + \varepsilon = (L + M)/2,得 f(x)>g(x)f(x) > g(x)——矛盾。□\square

注意:嚴格不等式 f(x)<g(x)f(x) < g(x) 不能保證極限處有嚴格不等式 L<ML < M。例如,f(x)=0<x2=g(x)f(x) = 0 < x^2 = g(x)(x≠0x \neq 0),但兩者在 x→0x \to 0 時均趨向 00。

局部保號性

定理。 若 L>0L > 0,則對所有充分靠近 aa(且 x≠ax \neq a)的 xx,有 f(x)>0f(x) > 0。對稱地,若 L<0L < 0 則在 aa 附近有 f(x)<0f(x) < 0。

證明。 取 ε=L/2>0\varepsilon = L/2 > 0。選 δ\delta 使得對 0<∣x−a∣<δ0 < |x - a| < \delta 有 ∣f(x)−L∣<L/2|f(x) - L| < L/2。則 f(x)>L−L/2=L/2>0f(x) > L - L/2 = L/2 > 0。□\square

這個定理在分析符號變化,以及在證明連續函式的商在分母非零處也連續時,被反覆用到。

摘要

  • 極限算術:極限尊重 ++、−-、×\times、÷\div(分母極限非零時)及純量乘法。
  • 夾擠定理:若在 aa 附近有 h≤f≤kh \leq f \leq k,且 h,kh, k 有共同的極限 LL,則 f→Lf \to L。
  • 序保持性:在 aa 附近 f(x)≤g(x)f(x) \leq g(x) 蘊含 lim⁡f≤lim⁡g\lim f \leq \lim g;各點的嚴格不等式不蘊含極限處的嚴格不等式。
  • 局部保號性:正的極限值蘊含函式在 aa 的某個去心鄰域內為正。