前言
这篇文章最初写于 2022 年 9 月 10 日。2023 年 9 月 24 日初次改写为博文。
过程不太严谨,但一定程度上反映了我的思考。只进行了部分格式修正以适应博文格式,未进行内容的修改。
下面使用标准的极限定义:ε-δ 语言
∀ε>0,∃δ>0,∀∣x−a∣<δ,∣f(x)−L∣<ε⟺x→alimf(x)=L
引语
知道极限许久,却一直记不住准确定义。前几天从残存的记忆中拼凑出来了(虽然两个符号用反了),因此借此巩固对极限的理解。
根据定义出发,本文将要证明三个定理
- 常:x→alimkf(x)=kx→alimf(x)
- 和:x→alim[f(x)+g(x)]=x→alimf(x)+x→alimg(x)
- 积:x→alim[f(x)⋅g(x)]=x→alimf(x)⋅x→alimg(x)
此外,为简化问题,定义 x→alimf(x)=F,x→alimg(x)=G,且 F,G∈R
常 1
k=0 显然成立,因此先证明 k>0 的情形
x→alimf(x)=F⟺∀ε>0,∃δ>0,∀∣x−a∣<δ,∣f(x)−F∣<ε
那么有 ∣kf(x)−kF∣<kε
当 k⩽1 时,有 kε⩽ε
那么有
∀ε>0,∃δ>0,∀∣x−a∣<δ,∣kf(x)−kF∣<ε
也即 x→alimkf(x)=kF=kx→alimf(x)
和
x→alimf(x)=F⟺∀ε>0,∃δ1>0,∀∣x−a∣<δ1,∣f(x)−F∣<εx→alimg(x)=G⟺∀ε>0,∃δ2>0,∀∣x−a∣<δ2,∣g(x)−G∣<ε
取 δ=min{δ1,δ2}
那么
∀ε>0,∃δ>0,∀∣x−a∣<δ,∣f(x)−F∣<ε,∣g(x)−G∣<ε⟺F−ε<f(x)<F+ε,G−ε<g(x)<G+ε⟺F+G−2ε<f(x)+g(x)<F+G+2ε⟺2f(x)+g(x)−2F+G<ε⟺x→alim[2f(x)+g(x)]=2F+G⟺21x→alim[f(x)+g(x)]=2F+G⟺x→alim[f(x)+g(x)]=x→alimf(x)+x→alimg(x)
常 2
k>1 时,记 i=1∑nki=k,∀i,0<ki⩽1
那么
x→alimkf(x)=x→alim[i=1∑nkif(x)]=i=1∑n[x→alimkif(x)]=i=1∑n[kix→alimf(x)]=i=1∑nkiF=kF=kx→alimf(x)
k<0 情况同理,此处证明略。(稿纸有写,但我没时间敲了)
积
先证明一种简单情形,即 F=G=0
则
∀ε>0,∃δ>0,∀∣x−a∣<δ,∣f(x)∣<ε,∣g(x)∣<ε⟺∣f(x)⋅g(x)∣<ε2
ε⩽1 时有 ∣f(x)⋅g(x)∣<ε2⩽ε,记此时的 δ=Δ(ε),ε>1 时取 δ=Δ(1),则有 ∣f(x)⋅g(x)∣<1<ε 也成立
因此
x→alim[f(x)⋅g(x)]=0
那么
x→alim[f(x)⋅g(x)]=x→alim[(f(x)−F)(g(x)−G)]+Fx→alimg(x)+Gx→alimf(x)−FG=0+FG+FG−FG=FG=x→alimf(x)⋅x→alimg(x)