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Topos Uranos

自变量趋于无穷大时的极限

摘要

本课研究自变量无限增大时函数的性态,并把它与另一种用同一符号书写的情形仔细区分开来:函数的值无限增大的情形。用 ε 和一个界 MM 定义自变量趋于无穷大时的极限,并只证明一次它等价于在 00 处的一个单侧极限,所用的是变量代换 t=1xt = \frac{1}{x}。由此可知,前面各课的所有定理在无穷远处也成立,无需新的证明。用这些定理可以计算幂和有理函数的极限,从而证明代数与几何中所承认的水平渐近线和斜渐近线;还要应用夹逼定理和单调函数的定理;并识别极限何时不存在。

学习目标

  1. 区分自变量趋于无穷大时的极限与无穷极限,并用挑战与回应的共同模式写出二者。
  2. 用 ε 和一个界 MM 定义自变量趋于无穷大时的极限,并证明它与在 00 处的单侧极限等价。
  3. 证明自变量趋于无穷大时幂和有理函数的极限,并由此推出水平渐近线和斜渐近线。
  4. 用夹逼定理、单调函数和变量代换计算无穷远处的极限,并证明它们何时不存在。

无穷大的两种用法

“无穷大”一词在极限的研究中有两种不同的含义,最好从一开始就把它们分开。在第一种含义中,是自变量无限增大,而函数的值趋近于一个数。在第二种含义中,是函数无限增大,而自变量趋近于一个数。因此,下面三个论断是不同的。

  • lim⁡x→∞f(x)=L\lim_{x \to \infty} f(x) = L:自变量无限增大,ff 的值趋近于数 LL。例如,1x\frac{1}{x} 趋近于 00(当 xx 增大时)。这是本课的对象。
  • lim⁡x→af(x)=∞\lim_{x \to a} f(x) = \infty:自变量趋近于数 aa,ff 的值无限增大。例如,1x2\frac{1}{x^2} 无限增大(当 xx 趋近于 00 时)。这是关于无穷极限的课的对象。
  • lim⁡x→∞f(x)=∞\lim_{x \to \infty} f(x) = \infty:二者都无限增大,如 x2x^2。这也在关于无穷极限的课中研究。

符号 ∞\infty 不是实数,两种情形也不对称。在第一种情形中,极限存在并且是一个数,即 LL,对它适用唯一性、极限的运算法则以及所有已知的定理。在第二种情形中,函数没有关于实变量函数的极限的课中所说意义下的极限:写法 =∞= \infty 并不是指一个极限,而是指没有极限的一种精确方式。因此,对数进行运算的极限运算法则,不能像对待一个数那样应用于 ∞\infty。

然而,两种情形都可以纳入同一个模式。每个极限定义都说:对关于值的每个挑战,都存在关于自变量的回应。唯一变化的是接近每一种对象意味着什么:

  • 自变量接近数 aa,是指 0<∣x−a∣<δ0 < \abs{x - a} < \delta;接近 ∞\infty,是指 x>Mx > M;
  • 值接近数 LL,是指 ∣f(x)−L∣<ε\abs{f(x) - L} < \varepsilon;接近 ∞\infty,是指 f(x)>Nf(x) > N。

关于极限的课中的定义组合每一行的第一种形式;本课组合第一行的第二种形式与第二行的第一种形式;关于无穷极限的课组合其余的形式。本课的第一个命题用同一个函数展示这两种用法。