单调函数单侧极限存在的判别法

第16卷第6期

2003年11月重庆教育学院学报Journal of Chongqing College of Education V ol. 16No. 6N ove. 2003文章编号:1008-6390(2003) 06-0009-02

单调函数单侧极限存在的判别法

谭伟明

(梧州市教育学院数学系, 广西梧州 543000)

摘 要:由数列极限存在的一个判别定理) ) ) 单调有界原理, 联想到函数极限存在是否也有类似的判别

定理, 于是推出了定理1~定理4. 另外, 在Heine 定理中, 如果函数f (x ) 是单调函数, 那么就有定理6~定理

8. 我们可应用这几个定理把单调函数极限的问题化为数列极限问题来解决, 对我们判别单调函数极限的存在

及计算单调函数的极限都较为方便.

关键词:单调; 函数; 有界; 极限

中图分类号:O 171

1 问题的提出

在许多数学分析教材中[1-3], 关于数列极限存在的判别, 一般都给出三种判别方法:夹逼定理、单调有界原理、柯西收敛准则. 而对函数极限存在的判别, 只给出两种判别方法:夹逼定理、柯西准则. 那么, 关于函数极限的存在性, 是否有与单调有界原理相应的判别法呢? 我们有下面的定理.

定理1 若函数f (x ) 在区间(a, a +D ) 单调增加(减少) 且有下界(上界) , 则函数f (x ) 在点a 存在右极限.

证明 不妨设函数f (x ) 在区间(a, a +D ) 单调增加且有下界, 则数集E ={f (x ) |x I (a, a +D ) }有下确界. 设inf E =b. 下面证明 lim f (x ) =b.

x y a +文献标识码:A

由下确界的定义, P x I (a, a +D ) , 有f (x ) \b , 且P E >0, v c I (a, a +D ) , 使f (c)

所以, P E >0, 取D c =c -a, P x :a 所以 lim f (x ) =b(证毕).

x y a +

同理可以得到下列的定理.

定理2 若函数f (x ) 在区间(a -D , a) 单调增加(减少) 且有上界(下界) , 则函数f (x ) 在点a 存在左极限.

定理3 若函数f (x ) 在区间(-], a) 单调增加(减少) 且有下界(上界) , 则极限lim f (x ) 是存在的. x y -]

x y +]定理4 若函数f (x ) 在区间(a, +]) 单调增加(减少) 且有上界(下界) , 则极限lim f (x ) 是存在的.

上述定理2至定理4可仿照定理1的方法证明, 在此从略.

2 数列极限与函数极限关系的沟通

在极限理论中, 有一个沟通数列极限与函数极限关系的定理) ) ) Heine 定理.

定理5 函数f (x ) 在点a 的极限为A , 当且仅当对任意的数列{x n }:x n y a, x n X a, 有lim f (x n ) =A . n y ][4]

很显然, 对在点a 的左、右极限, 我们也有相应的结论:

定理5c 函数f (x ) 在点a 的右极限为A , 当且仅当对任意的数列{x n }:x n y a , x n X a , 且x n \a, 有lim f (x n ) =A . n y ]

n y ]定理5d 函数f (x ) 在点a 的左极限为A , 当且仅当对任意的数列{x n }:x n y a , x n X a , 且x n [a, 有lim f (x n ) =A .

定理5c 和定理5d 的证明可仿照各数学分析材料中的Heine 定理的证明进行, 此略. 在定理5c 和定理5d 中, 如果函数f (x ) 为单调函数, 那么它们的条件是否可以降低些呢? 我们有下列的定理.

收稿日期:2003-07-29

作者简介:谭伟明(1962) ) , 男, 广西梧州市人, 梧州教育学院数学系, 讲师, 主要从事数学分析和数学教育研究.

定理6 设函数f (x ) 在区间(a, a +D ) 单调, 则函数f (x ) 在点a 的右极限为A , 当且仅当对某个数列{x n }

D ) :x n y a , x n X a , 有lim f (x n ) =A . n y ]

证明 不妨设函数f (x ) 在区间(a, a +D ) 单调增加. 必要性可直接由定理5c 得到. 下面证明充分性.

^ lim f (x n ) =A , _P E >0, v N I N , P n >N , 有|f (x n ) -A |P x I (a, a +D ) , 则x >a, 故lim x n =a N ) , P n >k , 有x n k 时, 有A -E

由E 的任意性, 可知P x I (a, a +D ) , 有f (x ) \A . 可以看到A 是数集E ={f (x ) |x I (a, a +D ) }的下确界. 根据定理1及其证明, 可知函数f (x ) 在点a 的右极限为A . (证毕)

同理我们可以得到下面的定理.

定理6c 设函数f (x ) 在区间(a -D , a) 单调, 则函数f (x ) 在点a 的左极限为A , 当且仅当对某个数列{x n }

综合定理6和定理6c , 我们可以得到下面的定理.

定理7 设函数f (x ) 在点a 的左、右两侧附近分别单调, 则lim f (x ) =A , 当且仅当且对点a 左侧某个数列{x n }及点x y a

a 右侧某个数列{y n }:x n y a, x n X a, y n y a, y n X a, 有 lim f (x n ) =lim f (y n ) =A . n y ]n y ]

定理8 设函数f (x ) 在区间(a, +]) 单调, 则lim f (x ) =A , 当且仅当对某个数列{x n }

x y ]lim f (x n ) =A .

定理8c 设函数f (x ) 在区间(-], a) 单调, 则lim f (x ) =A , 当且仅当对某个数列{x n }

x y ]lim f (x n ) =A .

应用上述各定理的充分性, 可把单调函数极限的问题转化为数列极限的问题来解决.

例1 证明函数y =a x 在R 上连续.

证明 函数f (x ) =a x 在R 上显然是单调的. 取x n =x 0-1/n, y n =x 0+1/n, 则数列{x n }、{y n }满足定理7的条件,

3 把单调函数极限问题转化为数列极限问题在数列极限中已知:lim a =1, 于是, 我们有n y ]

n y ]lim a x n =lim a x 0-=a x 0lim a -=a x 0 ; lim a y n =lim a x 0+=a x 0lim a =a x 0. n y ]n y ]n y ]n y ]n y ]由定理3, 可知 lim a =a 0 . 所以, 函数f (x ) =a 在R 上连续.

x y x 0x x x

例2 求极限lim x .

x y 0+x

解 设f (x ) =x , 则f c (x ) =x (1+1n x ).

令f c (x ) =0得稳定点x =1/e, 且0

从上述两例知, 定理6~定理8提供了一种解决函数极限问题的方法. 用Heine 定理的充分性把函数极限化为数列极x x x 11=lim 限, 需要考察任意满足定理条件的数列; 而用定理6~定理8的充分性把函数极限化为数列极限, 只需考察某一数列即可, 解决问题是比较方便的.

参 考 文 献

[1] 刘玉琏, 傅沛仁. 数学分析讲义(上册) [M ].北京:高等教育出版社, 1992.

[2] 吉林大学数学系. 数学分析(中册) [M ]. 北京:人民教育出版社, 1978.

[3] 复旦大学数学系. 数学分析(上册) [M ]. 上海:上海科学技术出版社, 1962.

[4] 梁俊奇, 张庆政. Heine 定理的等价命题及其应用[J]. 高等教育研究, 2002, 5(3) :20.

[责任编辑 曾 静]

第16卷第6期

2003年11月重庆教育学院学报Journal of Chongqing College of Education V ol. 16No. 6N ove. 2003文章编号:1008-6390(2003) 06-0009-02

单调函数单侧极限存在的判别法

谭伟明

(梧州市教育学院数学系, 广西梧州 543000)

摘 要:由数列极限存在的一个判别定理) ) ) 单调有界原理, 联想到函数极限存在是否也有类似的判别

定理, 于是推出了定理1~定理4. 另外, 在Heine 定理中, 如果函数f (x ) 是单调函数, 那么就有定理6~定理

8. 我们可应用这几个定理把单调函数极限的问题化为数列极限问题来解决, 对我们判别单调函数极限的存在

及计算单调函数的极限都较为方便.

关键词:单调; 函数; 有界; 极限

中图分类号:O 171

1 问题的提出

在许多数学分析教材中[1-3], 关于数列极限存在的判别, 一般都给出三种判别方法:夹逼定理、单调有界原理、柯西收敛准则. 而对函数极限存在的判别, 只给出两种判别方法:夹逼定理、柯西准则. 那么, 关于函数极限的存在性, 是否有与单调有界原理相应的判别法呢? 我们有下面的定理.

定理1 若函数f (x ) 在区间(a, a +D ) 单调增加(减少) 且有下界(上界) , 则函数f (x ) 在点a 存在右极限.

证明 不妨设函数f (x ) 在区间(a, a +D ) 单调增加且有下界, 则数集E ={f (x ) |x I (a, a +D ) }有下确界. 设inf E =b. 下面证明 lim f (x ) =b.

x y a +文献标识码:A

由下确界的定义, P x I (a, a +D ) , 有f (x ) \b , 且P E >0, v c I (a, a +D ) , 使f (c)

所以, P E >0, 取D c =c -a, P x :a 所以 lim f (x ) =b(证毕).

x y a +

同理可以得到下列的定理.

定理2 若函数f (x ) 在区间(a -D , a) 单调增加(减少) 且有上界(下界) , 则函数f (x ) 在点a 存在左极限.

定理3 若函数f (x ) 在区间(-], a) 单调增加(减少) 且有下界(上界) , 则极限lim f (x ) 是存在的. x y -]

x y +]定理4 若函数f (x ) 在区间(a, +]) 单调增加(减少) 且有上界(下界) , 则极限lim f (x ) 是存在的.

上述定理2至定理4可仿照定理1的方法证明, 在此从略.

2 数列极限与函数极限关系的沟通

在极限理论中, 有一个沟通数列极限与函数极限关系的定理) ) ) Heine 定理.

定理5 函数f (x ) 在点a 的极限为A , 当且仅当对任意的数列{x n }:x n y a, x n X a, 有lim f (x n ) =A . n y ][4]

很显然, 对在点a 的左、右极限, 我们也有相应的结论:

定理5c 函数f (x ) 在点a 的右极限为A , 当且仅当对任意的数列{x n }:x n y a , x n X a , 且x n \a, 有lim f (x n ) =A . n y ]

n y ]定理5d 函数f (x ) 在点a 的左极限为A , 当且仅当对任意的数列{x n }:x n y a , x n X a , 且x n [a, 有lim f (x n ) =A .

定理5c 和定理5d 的证明可仿照各数学分析材料中的Heine 定理的证明进行, 此略. 在定理5c 和定理5d 中, 如果函数f (x ) 为单调函数, 那么它们的条件是否可以降低些呢? 我们有下列的定理.

收稿日期:2003-07-29

作者简介:谭伟明(1962) ) , 男, 广西梧州市人, 梧州教育学院数学系, 讲师, 主要从事数学分析和数学教育研究.

定理6 设函数f (x ) 在区间(a, a +D ) 单调, 则函数f (x ) 在点a 的右极限为A , 当且仅当对某个数列{x n }

D ) :x n y a , x n X a , 有lim f (x n ) =A . n y ]

证明 不妨设函数f (x ) 在区间(a, a +D ) 单调增加. 必要性可直接由定理5c 得到. 下面证明充分性.

^ lim f (x n ) =A , _P E >0, v N I N , P n >N , 有|f (x n ) -A |P x I (a, a +D ) , 则x >a, 故lim x n =a N ) , P n >k , 有x n k 时, 有A -E

由E 的任意性, 可知P x I (a, a +D ) , 有f (x ) \A . 可以看到A 是数集E ={f (x ) |x I (a, a +D ) }的下确界. 根据定理1及其证明, 可知函数f (x ) 在点a 的右极限为A . (证毕)

同理我们可以得到下面的定理.

定理6c 设函数f (x ) 在区间(a -D , a) 单调, 则函数f (x ) 在点a 的左极限为A , 当且仅当对某个数列{x n }

综合定理6和定理6c , 我们可以得到下面的定理.

定理7 设函数f (x ) 在点a 的左、右两侧附近分别单调, 则lim f (x ) =A , 当且仅当且对点a 左侧某个数列{x n }及点x y a

a 右侧某个数列{y n }:x n y a, x n X a, y n y a, y n X a, 有 lim f (x n ) =lim f (y n ) =A . n y ]n y ]

定理8 设函数f (x ) 在区间(a, +]) 单调, 则lim f (x ) =A , 当且仅当对某个数列{x n }

x y ]lim f (x n ) =A .

定理8c 设函数f (x ) 在区间(-], a) 单调, 则lim f (x ) =A , 当且仅当对某个数列{x n }

x y ]lim f (x n ) =A .

应用上述各定理的充分性, 可把单调函数极限的问题转化为数列极限的问题来解决.

例1 证明函数y =a x 在R 上连续.

证明 函数f (x ) =a x 在R 上显然是单调的. 取x n =x 0-1/n, y n =x 0+1/n, 则数列{x n }、{y n }满足定理7的条件,

3 把单调函数极限问题转化为数列极限问题在数列极限中已知:lim a =1, 于是, 我们有n y ]

n y ]lim a x n =lim a x 0-=a x 0lim a -=a x 0 ; lim a y n =lim a x 0+=a x 0lim a =a x 0. n y ]n y ]n y ]n y ]n y ]由定理3, 可知 lim a =a 0 . 所以, 函数f (x ) =a 在R 上连续.

x y x 0x x x

例2 求极限lim x .

x y 0+x

解 设f (x ) =x , 则f c (x ) =x (1+1n x ).

令f c (x ) =0得稳定点x =1/e, 且0

从上述两例知, 定理6~定理8提供了一种解决函数极限问题的方法. 用Heine 定理的充分性把函数极限化为数列极x x x 11=lim 限, 需要考察任意满足定理条件的数列; 而用定理6~定理8的充分性把函数极限化为数列极限, 只需考察某一数列即可, 解决问题是比较方便的.

参 考 文 献

[1] 刘玉琏, 傅沛仁. 数学分析讲义(上册) [M ].北京:高等教育出版社, 1992.

[2] 吉林大学数学系. 数学分析(中册) [M ]. 北京:人民教育出版社, 1978.

[3] 复旦大学数学系. 数学分析(上册) [M ]. 上海:上海科学技术出版社, 1962.

[4] 梁俊奇, 张庆政. Heine 定理的等价命题及其应用[J]. 高等教育研究, 2002, 5(3) :20.

[责任编辑 曾 静]


相关内容

  • 函数极限存在的条件教案
  • §3 函数极限存在的条件 重点难点 1. 归结原则也称为海涅定理, 它的意义在于把函数极限归结为数列极限问题来处理, 从而我们可以利用归结原则和数列极限的有关性质来证明上一节中所述的函数极限所有性质. 2. 单调有界定理是判定极限是否存在的一个重要原则, 同时也是求极限的一个有用的方法. 一般情形, ...

  • 数学毕业论文题目
  • 数学毕业论文题目 1.数学中的研究性学习 2.数字危机 3.中学数学中的化归方法 4.高斯分布的启示 5.a2+b2≧2ab 的变形推广及应用 6.网络优化 7.泰勒公式及其应用 8.浅谈中学数学中的反证法 9.数学选择题的利和弊 10.浅谈计算机辅助数学教学 11.论研究性学习 12.浅谈发展数学 ...

  • 大学数学教学大纲
  • <大学数学>教学计划 数学一 总学时 252 微积分(上) 5⨯13=65 第一学期 微积分(下) 5⨯17=85 第二学期 教材:四川大学周成壁编<高等数学>第一,二册 线性代数 3⨯17=51 第二学期 教材:<高等代数>(上)王萼芳编 概率统计 3⨯17=5 ...

  • 重要极限的证明
  • 极限是e a>0 在n比较大时,(1+(1-a)/n)^n<=原式<=(1+1/n)^n 取极限后,e》=原式的上极限》=原式的下极限》=e^(1-a) 由a的任意性,得 极限为e 利用极限存在准则证明: (1)当x趋近于正无穷时,(Inx/x^2)的极限为0; (2)证明数列{X ...

  • 用定义证明二重极限
  • 利用极限存在准则证明: (1)当x趋近于正无穷时,(Inx/x^2)的极限为0; (2)证明数列{Xn},其中a>0,Xo>0,Xn=[(Xn-1)+(a/Xn-1)]/2,n=1,2,…收敛,并求其极限。 1)用夹逼准则: x大于1时,lnx>0,x^2>0,故lnx/x^ ...

  • 定义证明二重极限
  • 就是说当点(x,y)落在以(x0,y0)点附近的一个小圈圈内的时候,f(x,y)与A的差的绝对值会灰常灰常的接近。那么就说f(x,y)在(x0,y0)点的极限为A 关于二重极限的定义,各类数学教材中有各种不同的表述,归纳起来主要有以下三种:定义1设函数在点的某一邻域内有定义(点可以除外),如果对于任 ...

  • 导函数连续性定理及其推论
  • 专题研究 JoURNA≥淼翥勰淼.‰眦GE JOURNAL0FHENANTEXTILECOLLEGE -1z㈣年.月z'--W0.日出版7一 导函数连续性定理及其推论 邓书显1,于红霞2 (1.河南纺织高等专科学校,河南郑州450007:2.河南化工学校,河南郑州450042) 摘要:本文通过对导数 ...

  • 2015年九江学院专升本高等数学Ⅱ考试大纲
  • 2015年九江学院专升本高等数学Ⅱ考试大纲 第一部分:总要求 考生应按本大纲的要求,了解或理解"高等数学"中函数.极限和连续.一元函数微分学.一元函数积分学.多元函数微积分学.无穷级数.常微分方程的基本概念与基本理论:学会.掌握或熟练掌握上述各部分的基本方法.应注意各部分知识的结 ...

  • 二元函数极限证明
  • 设P=f(x,y),P0=(a,b) ,当P→P0 时f(x,y)的极限是x,y同时趋向于a,b时所得到的称为二重极限。 此外,我们还要讨论x,y先后相继地趋于a,b时的极限,称为二次极限。 我们必须注意有以下几种情形: ’ (1)两个二次极限都不存在而二重极限仍有可能存在 (2)两个二次极限存在而 ...