极限初探

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\varepsilon-δ\delta 语言

ε>0,δ>0,xa<δ,f(x)L<ε    limxaf(x)=L\forall_{\varepsilon > 0},\exist_{\delta > 0},\forall_{\left\vert x-a\right\vert < \delta},|f(x) - L| < \varepsilon \iff \lim\limits_{x \to a}f(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

  1. 常:limxakf(x)=klimxaf(x)\lim\limits_{x \to a}kf(x) = k\lim\limits_{x \to a}f(x)
  2. 和:limxa[f(x)+g(x)]=limxaf(x)+limxag(x)\lim\limits_{x \to a}\left[f(x) + g(x)\right] = \lim\limits_{x \to a}f(x) + \lim\limits_{x \to a}g(x)
  3. 积:limxa[f(x)g(x)]=limxaf(x)limxag(x)\lim\limits_{x \to a}\left[f(x)\cdot g(x)\right] = \lim\limits_{x \to a}f(x)\cdot \lim\limits_{x \to a}g(x)

此外,为简化问题,定义 limxaf(x)=F,limxag(x)=G\lim\limits_{x \to a}f(x)=F,\,\lim\limits_{x \to a}g(x)=G,且 F,GRF,G \in \R

常 1

k=0k=0 显然成立,因此先证明 k>0k > 0 的情形

limxaf(x)=F    ε>0,δ>0,xa<δ,f(x)F<ε\lim\limits_{x \to a}f(x)=F \iff \forall_{\varepsilon>0},\exist_{\delta>0},\forall_{|x-a|<\delta},|f(x) - F| < \varepsilon

那么有 kf(x)kF<kε|kf(x) - kF| < k \varepsilon

k1k\le 1 时,有 kεεk \varepsilon \le \varepsilon

那么有

ε>0,δ>0,xa<δ,kf(x)kF<ε\forall_{\varepsilon>0},\exist_{\delta>0},\forall_{|x-a|<\delta},|kf(x) - kF| < \varepsilon

也即 limxakf(x)=kF=klimxaf(x)\lim\limits_{x \to a}kf(x)=kF=k \lim\limits_{x \to a}f(x)

limxaf(x)=F    ε>0,δ1>0,xa<δ1,f(x)F<εlimxag(x)=G    ε>0,δ2>0,xa<δ2,g(x)G<ε\lim\limits_{x \to a}f(x)=F \iff \forall_{\varepsilon>0},\exist_{\delta_1>0},\forall_{|x-a|<\delta_1},|f(x) - F| < \varepsilon\\ \lim\limits_{x \to a}g(x)=G \iff \forall_{\varepsilon>0},\exist_{\delta_2>0},\forall_{|x-a|<\delta_2},|g(x) - G| < \varepsilon

δ=min{δ1,δ2}\delta = \min\{\delta_1,\,\delta_2\}

那么

ε>0,δ>0,xa<δ,f(x)F<ε,g(x)G<ε    Fε<f(x)<F+ε,Gε<g(x)<G+ε    F+G2ε<f(x)+g(x)<F+G+2ε    f(x)+g(x)2F+G2<ε    limxa[f(x)+g(x)2]=F+G2    12limxa[f(x)+g(x)]=F+G2    limxa[f(x)+g(x)]=limxaf(x)+limxag(x)\forall_{\varepsilon>0},\exist_{\delta>0},\forall_{|x-a|<\delta},\\ \begin{aligned} |f(x) - F| < \varepsilon,\,|g(x) - G| < \varepsilon &\iff F - \varepsilon < f(x) < F + \varepsilon,\,G-\varepsilon < g(x) < G + \varepsilon\\ &\iff F + G - 2 \varepsilon < f(x) + g(x) < F + G + 2 \varepsilon\\ &\iff \left\vert \dfrac{f(x) + g(x)}{2} - \dfrac{F + G}{2}\right\vert < \varepsilon\\ &\iff \lim\limits_{x \to a}\left[ \dfrac{f(x) + g(x)}{2}\right ] = \dfrac{F + G}{2}\\ &\iff \dfrac{1}{2}\lim\limits_{x \to a}[f(x) + g(x)] = \dfrac{F + G}{2}\\ &\iff \lim\limits_{x \to a}[f(x) + g(x)] = \lim\limits_{x \to a}f(x) + \lim\limits_{x \to a}g(x) \end{aligned}

常 2

k>1k > 1 时,记 i=1nki=k,i,0<ki1\displaystyle \sum_{i=1}^{n}k_i=k,\,\forall_{i},0<k_i\le 1

那么

limxakf(x)=limxa[i=1nkif(x)]=i=1n[limxakif(x)]=i=1n[kilimxaf(x)]=i=1nkiF=kF=klimxaf(x)\begin{aligned} \lim\limits_{x \to a}kf(x) &= \lim\limits_{x \to a}\left[\sum_{i=1}^{n}k_if(x)\right]\\ &=\sum_{i=1}^{n}\left[ \lim\limits_{x \to a}k_if(x)\right ]\\ &=\sum_{i=1}^{n}\left[k_i \lim\limits_{x \to a}f(x)\right]\\ &=\sum_{i=1}^{n}k_iF\\ &=kF\\ &=k \lim\limits_{x \to a}f(x) \end{aligned}

k<0k< 0 情况同理,此处证明略。(稿纸有写,但我没时间敲了)

先证明一种简单情形,即 F=G=0F=G=0

ε>0,δ>0,xa<δ,f(x)<ε,g(x)<ε    f(x)g(x)<ε2\forall_{\varepsilon>0},\exist_{\delta>0},\forall_{|x-a|<\delta},|f(x)| < \varepsilon,\,|g(x)| < \varepsilon \iff |f(x)\cdot g(x)| < \varepsilon^2

ε1\varepsilon \le 1 时有 f(x)g(x)<ε2ε|f(x)\cdot g(x)| < \varepsilon^2 \le \varepsilon,记此时的 δ=Δ(ε)\delta=\Delta(\varepsilon)ε>1\varepsilon > 1 时取 δ=Δ(1)\delta = \Delta(1),则有 f(x)g(x)<1<ε|f(x)\cdot g(x)| < 1 < \varepsilon 也成立

因此

limxa[f(x)g(x)]=0\lim\limits_{x \to a}\left[f(x)\cdot g(x)\right]=0

那么

limxa[f(x)g(x)]=limxa[(f(x)F)(g(x)G)]+Flimxag(x)+Glimxaf(x)FG=0+FG+FGFG=FG=limxaf(x)limxag(x)\begin{aligned} \lim\limits_{x \to a}\left[f(x)\cdot g(x)\right] &= \lim\limits_{x \to a}\left[\left( f(x) - F\right )\left( g(x) - G\right )\right] + F \lim\limits_{x \to a}g(x) + G \lim\limits_{x \to a}f(x) - FG\\ &=0 + FG + FG -FG\\ &=FG\\ &=\lim\limits_{x \to a}f(x)\cdot \lim\limits_{x \to a}g(x) \end{aligned}