跳至内容
Topos Uranos

夹逼定理与三角函数的极限

摘要

本课通过把函数与另一些极限已知的函数作比较,求出极限的运算法则所无法求出的极限。首先证明极限保持非严格不等式;然后是夹逼定理,它归结为前一课的上界判别法,无需任何新的 ε-δ 论证,以及它最常用的情形:有界函数与趋于零的函数之积。借助在代数与几何 II 中证明的正弦的上界,证明正弦和余弦在每一点都有极限,且等于该点的函数值。于是,正弦、弧与正切之间的不等式给出第一重要极限 lim⁡x→0sin⁡xx=1\lim_{x \to 0} \frac{\sin x}{x} = 1,再由已知的法则推出其余的三角函数极限。问题部分应用夹逼定理,用变量代换计算三角函数的极限,并求出 arctan⁡yy\frac{\arctan y}{y} 的极限。

学习目标

  1. 用局部保号性证明极限的保序性,并用上界判别法证明夹逼定理以及有界函数与趋于零的函数之积的极限。
  2. 证明正弦和余弦在每一点都有极限,且等于该点的函数值,并由此推出正切的极限。
  3. 证明第一重要极限 lim⁡x→0sin⁡xx=1\lim_{x \to 0} \frac{\sin x}{x} = 1,并由它推出 tan⁡xx\frac{\tan x}{x}、sin⁡kxx\frac{\sin kx}{x}、1−cos⁡xx2\frac{1 - \cos x}{x^2} 与 1−cos⁡xx\frac{1 - \cos x}{x} 的极限。
  4. 用比较法计算极限并计算三角函数的极限,用本课的定理为每一处推理提供依据。

法则无法求出的极限

在关于极限的运算法则的课中,每个 00\frac{0}{0} 型的不定式都是通过变形表达式直到约去一个公因子来解决的。商 sin⁡xx\frac{\sin x}{x},当 xx 趋于 00 时,不能这样处理:正弦不是多项式,任何因式分解都不能在分子中造出因子 xx。乘积法则也不能确定 xsin⁡1xx \sin \frac{1}{x} 在 00 处的极限,因为因子 sin⁡1x\sin \frac{1}{x} 没有极限,这正是在关于实变量函数的极限的课中练习题 3 要求证明的。

然而,在这两种情形中,函数都被困在另外两个更简单的函数之间:xsin⁡1xx \sin \frac{1}{x} 的绝对值不超过 ∣x∣\abs{x},而商 sin⁡xx\frac{\sin x}{x},如后面将看到的,介于 cos⁡x\cos x 与 11 之间。若是如此,就值得一劳永逸地证明:一个被困在两个趋于同一个数的函数之间的函数,也趋于这个数。本课的证明沿用前一课的思路:每个结果都归结为一个不等式,其余的由上界判别法或由它推出的工具完成。

沿用前一课的约定:ff、gg 和 hh 是定义在同一个集合 AA 上的实函数,点 aa 是 AA 的聚点,而某事“在 aa 附近”成立,是指存在 r>0r > 0,使得每个 xx(属于 AA 且满足 0<∣x−a∣<r0 < \abs{x - a} < r)都满足它。回顾三个引理那一节结尾得到的工具:若 lim⁡x→af(x)=L\lim_{x \to a} f(x) = L 且 lim⁡x→ag(x)=M\lim_{x \to a} g(x) = M,则每个函数 FF,只要在 aa 附近满足如下形式的上界估计(其中 C>0C > 0),就趋于 KK。

∣F(x)−K∣≤C(∣f(x)−L∣+∣g(x)−M∣)\abs{F(x) - K} \leq C\left(\abs{f(x) - L} + \abs{g(x) - M}\right)