摘要 本课以一种计算技巧结束极限这一单元,这种技巧几乎汇集了此前的全部内容:对趋于零或趋于无穷大的函数进行比较。本课定义小 o o o 、大 O O O 、同阶与等价,并证明在乘积或商中,每个因子都可以换成与它等价的因子而不改变极限。前面几课证明的三角函数的极限,指数函数、对数函数与幂的极限,以及多项式的极限,汇集成一张等价无穷小表,借助它可以一眼算出以前需要多次变形才能求出的极限。本课还给出使用这一技巧时最常见的错误,即在和中进行代换,说明和在什么情况下确实可以代换,以及幂在零附近和远离原点处如何比较。
学习目标 定义函数在一点、一侧或无穷远处的小 o o o 、大 O O O 、同阶与等价,并证明它们的性质。 证明乘积与商中的等价代换定理,并认识到它为什么不适用于和。 证明零处的等价无穷小表,并结合复合用它来计算极限,确定无穷小的阶与主部。 比较幂型的无穷大与无穷小,并区分等价与渐近线的存在。 比较函数 关于夹逼定理 和关于无穷极限 的课表明,0 0 \frac{0}{0} 0 0 型与 ∞ ∞ \frac{\infty}{\infty} ∞ ∞ 型没有固定的结果:两个趋于零的函数之商的极限取决于它们趋于零的快慢。本课的想法是把每个函数与另一个更简单的函数相比较,以度量这种快慢。与关于无穷极限的课一样,P P P 表示自变量的趋向目标(a a a 、a + a^+ a + 、a − a^- a − 、∞ \infty ∞ 或 − ∞ -\infty − ∞ ),而“在 P P P 附近”指在一个去心邻域中、在一侧或在一条射线上。如果一个函数只在集合 A A A 上有定义,而 a a a 是该集合的聚点,那么“在 a a a 附近”指在 A A A 中属于以 a a a 为中心的某个去心邻域的点处,而极限是关于实变量函数的极限 的课中的极限,在 A A A 上取;下面的定义在这种情形下同样适用。
设 f f f 与 g g g 是在 P P P 附近有定义的函数,且 g ( x ) ≠ 0 g(x) \neq 0 g ( x ) = 0 在 P P P 附近成立。
f f f 相对于 g g g 可忽略 (在 P P P 处),记作 f = o ( g ) f = \operatorname{o}(g) f = o ( g ) ,读作“f f f 是 g g g 的小 o”,条件是 lim x → P f ( x ) g ( x ) = 0 \lim_{x \to P} \frac{f(x)}{g(x)} = 0 lim x → P g ( x ) f ( x ) = 0 。f f f 关于 g g g 有界 (在 P P P 处),记作 f = O ( g ) f = \operatorname{O}(g) f = O ( g ) ,读作“f f f 是 g g g 的大 O”,条件是存在 C > 0 C > 0 C > 0 ,使得 ∣ f ( x ) ∣ ≤ C ∣ g ( x ) ∣ \abs{f(x)} \leq C\abs{g(x)} ∣ f ( x ) ∣ ≤ C ∣ g ( x ) ∣ 在 P P P 附近成立;也就是说,商 f ( x ) g ( x ) \frac{f(x)}{g(x)} g ( x ) f ( x ) 在 P P P 附近有界。f f f 与 g g g 同阶 (在 P P P 处),条件是 f ( x ) g ( x ) \frac{f(x)}{g(x)} g ( x ) f ( x ) 趋于一个不为零的数。f f f 与 g g g 等价 (在 P P P 处),记作 f ∼ g f \sim g f ∼ g ,条件是 lim x → P f ( x ) g ( x ) = 1 \lim_{x \to P} \frac{f(x)}{g(x)} = 1 lim x → P g ( x ) f ( x ) = 1 。一个函数若趋于 0 0 0 (在 P P P 处),就称为 P P P 处的无穷小 ;若趋于 ∞ \infty ∞ 或 − ∞ -\infty − ∞ ,就称为无穷大 。0 0 0 处的无穷小具有阶 k > 0 k > 0 k > 0 ,是指它与 x k x^k x k 同阶(在 0 + 0^+ 0 + 处,如果 x k x^k x k 只对 x > 0 x > 0 x > 0 有定义),这时,若 f ( x ) x k \frac{f(x)}{x^k} x k f ( x ) 趋于 c c c ,函数 c x k c\,x^k c x k 就是它的主部 :f ∼ c x k f \sim c\,x^k f ∼ c x k 。
“无穷小”这个词指的不是一个很小的数,而是一个趋于零的函数;记号 o ( g ) \operatorname{o}(g) o ( g ) 指的不是一个确定的函数,而是相对于 g g g 可忽略的函数中的任意一个。例如,x 2 = o ( x ) x^2 = \operatorname{o}(x) x 2 = o ( x ) (在 0 0 0 处),因为 x 2 x = x \frac{x^2}{x} = x x x 2 = x 趋于 0 0 0 ;反之,x = o ( x 2 ) x = \operatorname{o}(x^2) x = o ( x 2 ) (在 ∞ \infty ∞ 处),因为 x x 2 = 1 x \frac{x}{x^2} = \frac{1}{x} x 2 x = x 1 趋于 0 0 0 。同一对函数随趋向目标的不同而以相反的方式比较。同阶与等价本质上是同一种比较:若 f f f 与 g g g 同阶,且商趋于 c c c ,则 f ∼ c g f \sim c\,g f ∼ c g 。
在同一个趋向目标 P P P 下:
等价具有自反性、对称性与传递性:f ∼ f f \sim f f ∼ f ;若 f ∼ g f \sim g f ∼ g ,则 g ∼ f g \sim f g ∼ f ;若 f ∼ g f \sim g f ∼ g 且 g ∼ h g \sim h g ∼ h ,则 f ∼ h f \sim h f ∼ h ; f ∼ g f \sim g f ∼ g 当且仅当 f − g = o ( g ) f - g = \operatorname{o}(g) f − g = o ( g ) ;特别地,若 h = o ( g ) h = \operatorname{o}(g) h = o ( g ) ,则 g + h ∼ g g + h \sim g g + h ∼ g ;若 f = o ( h ) f = \operatorname{o}(h) f = o ( h ) 且 g = o ( h ) g = \operatorname{o}(h) g = o ( h ) ,则 f + g = o ( h ) f + g = \operatorname{o}(h) f + g = o ( h ) ,并且 c f = o ( h ) c\,f = \operatorname{o}(h) c f = o ( h ) ,这里 c c c 是任意实数。 每一条都是极限的运算法则 中的一条法则,应用于一个商。
证明
1 f f f 与自身之商等于 1 1 1 。若 f g \frac{f}{g} g f 趋于 1 1 1 ,则由倒数法则,它的倒数趋于 1 1 = 1 \frac{1}{1} = 1 1 1 = 1 。若 f g \frac{f}{g} g f 与 g h \frac{g}{h} h g 趋于 1 1 1 ,则由乘积法则,它们的积也趋于它。
2 f − g f - g f − g 除以 g g g 的商是 f g − 1 \frac{f}{g} - 1 g f − 1 ,它趋于 0 0 0 当且仅当 f g \frac{f}{g} g f 趋于 1 1 1 。取 f = g + h f = g + h f = g + h ,差就是 h h h 。
3 若 f h \frac{f}{h} h f 与 g h \frac{g}{h} h g 趋于 0 0 0 ,则由线性组合法则,它们的和以及每一个与常数的积也趋于它。
大 O O O 并不要求商有极限,只要求它不失控地增长。例如,sin x = O ( 1 ) \sin x = \operatorname{O}(1) sin x = O ( 1 ) (在 ∞ \infty ∞ 处),尽管 sin x \sin x sin x 在那里没有极限;又如 x sin 1 x = O ( x ) x \sin \frac{1}{x} = \operatorname{O}(x) x sin x 1 = O ( x ) (在 0 0 0 处),因为 ∣ x sin 1 x ∣ ≤ ∣ x ∣ \abs{x \sin \frac{1}{x}} \leq \abs{x} x sin x 1 ≤ ∣ x ∣ 。计算极限只需要小 o o o ;大 O O O 将用于度量近似的误差,例如泰勒多项式的误差,这将在微积分 II 中学习。它的运算规则如下。
在同一个趋向目标 P P P 下:
若 f g \frac{f}{g} g f 在 P P P 处有有限极限,则 f = O ( g ) f = \operatorname{O}(g) f = O ( g ) ;特别地,若 f = o ( g ) f = \operatorname{o}(g) f = o ( g ) 或 f ∼ g f \sim g f ∼ g ,亦然; 若 f = O ( h ) f = \operatorname{O}(h) f = O ( h ) 且 g = O ( h ) g = \operatorname{O}(h) g = O ( h ) ,则 f + g = O ( h ) f + g = \operatorname{O}(h) f + g = O ( h ) ,并且 c f = O ( h ) c\,f = \operatorname{O}(h) c f = O ( h ) ,这里 c c c 是任意实数; 若 f 1 = O ( g 1 ) f_1 = \operatorname{O}(g_1) f 1 = O ( g 1 ) 且 f 2 = O ( g 2 ) f_2 = \operatorname{O}(g_2) f 2 = O ( g 2 ) ,则 f 1 f 2 = O ( g 1 g 2 ) f_1 f_2 = \operatorname{O}(g_1 g_2) f 1 f 2 = O ( g 1 g 2 ) ; 若 f 1 = O ( g 1 ) f_1 = \operatorname{O}(g_1) f 1 = O ( g 1 ) 且 f 2 = o ( g 2 ) f_2 = \operatorname{o}(g_2) f 2 = o ( g 2 ) ,则 f 1 f 2 = o ( g 1 g 2 ) f_1 f_2 = \operatorname{o}(g_1 g_2) f 1 f 2 = o ( g 1 g 2 ) 。 每条规则都是绝对值之间的一个不等式;最后一条把一个界与一个趋于零的商结合起来。
证明
1 若 f g \frac{f}{g} g f 趋于 L L L ,则挑战 ε = 1 \varepsilon = 1 ε = 1 有回应:在 P P P 附近,商与 L L L 的距离小于 1 1 1 ,由三角不等式,它的绝对值不超过 ∣ L ∣ + 1 \abs{L} + 1 ∣ L ∣ + 1 。
2 界 C 1 C_1 C 1 (对 f f f )与界 C 2 C_2 C 2 (对 g g g )在 P P P 附近同时成立,即在两个邻域的交集中。三角不等式给出和的界;倍数的界是 ∣ c ∣ C 1 \abs{c}\,C_1 ∣ c ∣ C 1 。
3 4 乘积除以 g 1 g 2 g_1 g_2 g 1 g 2 的商,是一个以 C 1 C_1 C 1 为界的商与另一个趋于 0 0 0 的商之积;由夹逼定理,它趋于 0 0 0 。
本课节其余部分
代换定理 等价无穷小表 无穷大的比较 例题 直接代换 不能代换的和 一个立方根 等价无穷大 和的阶 练习题 三次代换 两个根式相减 复合的等价 有等价而无渐近线 每一端各有一个幂占主导 正在加载内容…