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高等数学第一讲函数、极限、连续I •考试要求1.理解函数概念，掌握函数的表示法，会建立应用问题的函数关系.2.了解函数的有界性、单调性、周期性和奇偶性.3.理解复合函数及分段函数概念，了解反函数及隐函数的概念.4.掌握基本初等函数的性质及其图形，了解初等函数的概念.5.理解极限的概念，理解函数左极限与右极限的概念以及函数极限存在与左极限、右极限Z间的关系.6.掌握极限的性质及四则运算法则.7.掌握极限存在的两个准则，并会利用它们求极限，掌握利用两个重要极限求极限的方法.8.理解无穷小量、无穷大量的概念，掌握无穷小量的比较方法，会用等价无穷小量求极限.9.理解函数连续性的概念（含左连续与右连续），会判别函数I'可断点的类型.10.了解连续函数的性质和初等函数的连续性，理解闭区间上连续函数的性质（有界性、最人值和最小值定理、介值定理），并会应用这些性质.H.考试内容—.函数（-）函数的概念对应关系，定义域（二）函数的性质1・有界性3M>0, 均有\f（x）\<M，则称/⑴在区间⑺上）有界./（x） < ,有上界；/（x） > M2有下界/（兀）有界o /（兀）有上界II有下界2.单调性Xfx i<x2el,均有/（%,）< f（x2）（/（%,）> .f （兀2）），单调增加（减少）.3.周期性3r>0,Vx€(-oo,+oo),均有/(x + T) = /(x)侧称/⑴为周期函数4.奇偶性 VXG (-/,/),均有/(-%) = f(x) ( -/(X )),则于(兀)为偶(奇)函数. 【例1】设F\x) = f(x),则下列结论正确的是()•(A) 若/'(X )为奇函数，则尸(兀)为偶函数. (B) 若/⑴ 为偶函数，则F ⑴为奇函数.(C) 若/(兀)为周期函数，则F(x)为周期函数. (D) 若/(X )为单调函数，则F(x)为单调函数.(三)函数的类型1. 基本初等函数 y = C, y - x ,u , y - a x , y = y = sinx , y = cos , y = arcsinx f y = arccos .2. 复合函数名合一y 二 /(w), u =(p{x)「：〉y 二 /(0(x))一拆多3•反函数)，=/(兀)，x=4. 初等函数5. 隐函数 F(x, y) = 0 (x+y = 0, y = sinxy ). 6・幕指函数 f(xY (x) = ^(x),n/(v),/(x) >0.隐含的分段函数①,y=|/(兀)|,② y =[/(兀)],③ y = sgn /(%) ④y = max {/(x),g(x)}=心巴心网,_\x = rcos39・极坐标方程r = 询,\ .八[y =厂 sm&二.极限(一) 极限定义7.分段函数:/；(%),%< x 0f (x\x>xy = mm{f(x\g(x)} =/(兀)+ g(x)-|/(x)-gCr)|2 &参数方程(数一.二要求)x =(p(t) y = 0(/)\imx H = A <=> Vr>(),mN >0,当n>N 时, "T8若记 /(n) = x n , lim /(n) = limHT8n —>oo|x|>Xlim /(X ) = A«V£>0,3X>0,当(兀>X)时，\f(x)-A\<s 兀 Too I I X (兀 V —X)0< x-x 0 <Slim f(x) = A<=> V£>0,3^>0,当0<x-x Q <3 时，|/(X )-A|<£~8 v x —x ()v 0(二) 极限的性质1. 唯一性2. 局部保号性若 lim /(x) = A>0,贝!j3t/(x 0)(|x|>X),使得在其内有 /(x) > 0 Xf0(XT8)3. 局部有界性若lim /(x) = A 存在，贝iJ3(/(,(x ())(|x|>X),使得在其内/(兀)是有界的，(XT8)【例2】设/(兀)在x = 0的某邻域内连续，且/(0) = 0, lim /⑴ =2,则/(兀)在 XT0 1一 COS Xx = 0 处 _________ .(4)有最大值. (3)有最小值. (C)有极大值. (D)有极小值. 答案：(C)(三) 无穷大量无穷小量1. 定义lim/(兀)=0 无穷小，lim/(x) = oo 无穷大2. 无穷小的主要运算(1)任意有限个无穷小的和与积仍是无穷小 (2打有界量与无穷小之积仍是无穷小(3) lim/(x) = A 存在 o /(x) = A+a(a —> 0) 3. 无穷小的比较设lima (兀)= O,lim0(兀)=0,且lim "兀=1,贝!| 0(兀)(i) ZHOjHoo, 0(兀)与 0(兀)同阶 (ii) / = 1, a(x) ~ 0(兀)X n -A <£.兀TXo .V —»x 0 + XTX°-(iii) / = O, G(x)是0(x)的高阶无穷小，o(x) = o(0(x)) (iv) / = OO , 0(兀)=o(a(x))注：（1） lima （兀）= lim0（兀）=0,若lim 竽=1」$0,1壬8, a （兀）是0（兀）的£阶 0 （兀）无穷小.⑵lim 虫込0a(x)4. 等价无穷小的应用（*）若 a （兀）〜a\x ） , 0（兀）~ 0'（兀）WJlima （x ）/（x ） = lima'（Qf （x ）a （x ） a\x ） lim ----- f （x ） = hm ---- f （兀）,0⑴八 0⑴八注：一般只在乘除法中应用.常用等价无穷小当 XT 0 时，兀〜sin x 〜tan 兀〜arcsin x 〜arctan x 〜e x -1 〜ln(l + x),91 -cosx ------- ,2 ci x — 1 ~ 无 In a (a > 0) > (1 + x)k — 1 ~ kx , ”1 + x — 1 ~ —等.k【例3】当兀TO 时，惭数-4sin-是 X X（A ）无穷小量.（B ）无穷大量.（C ）有界但非无穷小量.（D ）无界但非无穷大量.【例 4】lim--- ~— (5sinx + 6arctan x)—X 3+2X -100-- .. + 1［例 5】lim ------- /^°l-cosVl-cosx【解】当20时，济-I 迁.r1 -COSX JT 1 -cosvl -COSX 〜（四）极限存在准则1. 单调有界数列必有极限注：单增+上界单减+下界=>极限存在2. 如果 ^(%) < /(%) < //(%), xe (7°(%0),且 lim g(x) = lim h(x) = A , =>lim f(x) = AXT 心 XfbX 2 +X1-COSXT O , lim 启「= x^°l -COS A /1 - COS%X 2lim-—— -- --------- XTO 1 一 cos xx 2=lim-^- = 2.XTO X~z注：适当的缩放.【例6】Xj = 10 ,兀”+] = Jx n 4-6 (n = 1,2,L ),求极限limx”反例：设Xj = 1, x n+[ = 2x n +1 (n = 1,2,L ),求极限lim x n.] 2 n【例7】lim(- ------- + -------- +L + -------- )= ________ .〃T8 rr + /? +1 / + 〃 + 2 rr +n + n(五)两个重要极限sinx .1.lim ----- = 1XT° X推广型：lima(Q = 0,则lim Sina(x)=[0 a{x)1 12.lim(l + —) = lim(l + x)x =e“Too 兀XTO推广：广，lima(兀)=0 lim(l + a(x))g)=◎注:幕指函数的极限有以下几种情况:z lim v(x) , (1)若lim u(x)= a>0. lim v(x) = b,则lim w(x)v A = (lim “ (兀))_" = a b.X—>X0X—>X0X—>X0(2)对广型未定式limw(x)v(r)的极限，可用公式limw(x)v(t) = exp{limv(x)lnw(x)}或limw(%)v(v) = exp{lim(w(^) - l)v(x)}进行计算.【例8] (12309) lim(tanx)a,sx-sinA = _______n JV—»—4(六)极限的运算法则若lim/(x) = A, limg(兀) = 3,贝ijlim[/(x)±g(x)] = A + B, lim[/(兀)・g(x)] = A-B f lim史◎ =(B H O),gW Blim[/(x)r(r) = A\ ( A>0).lim(p(x) = a ,(p(x)工a, lim/(w) = A,则lim f[(p(x)] = A.X—>x o UTd XTXo注：(1)参加运算的只有有限项，且每项极限均存在.(2)四则运算的讨论和差：一存在，一不存在=> 和差一定不存在，两不存在=> 和差不确定一存在，和存在=> 另一极限一定存在积商：一存在，一不存在(或两不存)=> 积不确定，宀、 0 °°(3)不定式8 — 8,0・8，一,一 0 8注：在反常积分，无穷级数收敛中的应用x+1 x+1欲使此式趋向于零，必须且只须a = \,b = -\.因此答案为（C ）.（八）洛必达法则1. 若lim/O ） = limg （x ） = 0（8）,且g'（x ）HO, lim 厶凹存在（或为无穷大）,黒）&（兀）则 lim = lim 4^ ・ （X ）忙邛⑷2. 求极限常用的方法等价代换（变量代换，有理化，三角恒等变形），四则运算，洛必达法则反例:limxsin — , lim(x+l)sin 丄；lim(-1)"(一1)", limsin 2 —.XT O 兀 XT O 兀 n —>oo XT O -存在，积存在n 另一极限不确定，反例:limA-2,limxsin—（4）重要结论：1讯°0兀"+吗兀"'+L +6 _ 心8 a G x m + h {x m ^ +L + h m°()—.n ― m • %【例9】设数列乙与儿满足Iimx H 儿=0,则下列断言正确的是(4) 若占发散, "T8则儿必发散.(B) 若耳无界, 则儿必有界. 兀严（-1）〃，儿=0(C) (D)若兀有界， 若丄为无穷小，则儿必为无穷小.则儿必为无穷小. 【例 10】lim"_COS ；VXT ()2JT■ Z …• (" 一 COS x)V 1 + x 2[例 11] hm- ---- ------- -------- =go 对(1 + g')cosxY 2【例12】若极限lim(-— 一ax-b) = Q ix+1 JVT8 （A ） a = \,h = \.（C ） a = \.b = —\. 【解】通分-- ---- ax-b- (B) a = —1,/? = 1. (D) a = _l" = _l(1 — ci)x^ — (a + b)x_ b三连续1 •定义若lim /(x) = /(x0),则称y = /(x)在= 点连续XT.*)注：连续就是极限等于该点的函数值.因此，通过计算极限，可以判定连续.反过来, 如果已知连续，求极限时，只需计算函数值.2.单侧连续左连续lim /(x) = /(兀。
函数的极限与连续
lim (ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱx 3 5 x 2 + 1)
5 1 lim (3 + 3 ) x →∞ x x = 3 犯了什么错误？ = 4 3 lim (8 + 3 ) 8 n →∞ x x
第一章 函数的极限与连续
由上题可知，当am ≠ 0, bn ≠ 0, m和n为非负整数时有 am b 当n = m am x m + am 1 x m 1 + + a0 n lim = 0 当n > m n 1 x →∞ b x n + b + + b0 n n 1 x ∞ 当n < m 当分子和分母为数列形式时此方法也适应
y = sin (1 + x + x 2 ) + cos x, y = sin x 3x
它们都是初等函数．
第一章 函数的极限与连续
2、极限的概念 、
（1）案例引入极限思想 案例引入极限思想 中国古代数学家刘徽在《九章算术注》中创造了“割圆术”来计算圆周率π的 方法。刘徽注意到圆内接正多边形的面积小于圆面积，且当边数屡次加倍时， 正多边形的面积增大，边数愈大则正多边形面积愈接近圆的面积。“割之弥 细，所失弥少。割之又割以至于不可割则与圆合体而无所失矣”。这几句话 明确表明了刘徽的思想：当内接正多边形的边数n越大，多边形就越贴近圆周， 也就是说当正多边形的边数n无限增大时，正多边形的周长就是圆周长。根据 这一思想如何来计算圆周率π的近似值？理论根据何在？写出你的推导过程。 刘徽的思想中体现了极限的思想，也就是说极限是研究事物发展变化趋势的 重要工具。下面我们将具体研究极限的概念。
函数f ( x)为x → x0 ( x → ∞)时的无穷小量，简称无穷小， 记作 lim f ( x) = 0 lim f ( x) = 0
第1章 函数极限与连续
例 2 证明 证
p lim 0 ，其中 ( 0), n n
p 为常数。
任给 0, 因为
1
p | p| 0 = < , n n
即
1
|p| n .
所以,
取N [(
| p|
) ],
则当n N时, 就有
p 0 < , 即 n
数列的极限(86) 31
3、数列概念：
按自然数 1,2,3, 编号依次排列的一列数
x1 , x 2 , , x n ,
(1)
称为无穷数列,简称数列，其中的每个数称为数 列的项, x n 称为通项(一般项).数列(1)记为{ x n }.
如：
2,4,8,,2 n ,;
1 1 1 1 , , ,, n ,; 2 4 8 2
第1章 函数、极限与连续
1.1 函数
1.1.5 初等函数
2018/11/20
北京师范大学
1
1.1.5
初等函数
y
y x
(1,1)
1. 基本初等函数
(1) 幂函数
y x ( 为常数 )
1 y x
y x2
1
y
x
o
1
x
函数(63)
2
(2) 指数函数
1 x y( ) a
y ax
(a 0, a 1)
y ex
y ax
(a 1)
(0,1)
函数(63)
3
(3) 对数函数
y loga x (a 0, a 1) y ln x
y log a x
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第一部分函数极限连续函数、极限、连续函数极限连续函数概念函数的四种反函数与复初等函数数列极限函数极限连续概念间断点分类初等函数的连闭区间上连续特征合函数续性函数的性质函数的有界数列极限的函数极限的第一类间断有界性与最大性定义定义点值最小值定理函数的单调收敛数列的函数极限的可去间断点零点定理性性质性质函数的奇偶极限的唯一函数极限的跳跃间断点性性唯一性函数的周期收敛数列的函数极限的第二类间断性有界性局部有界性点收敛数列的函数极限的保号性局部保号性数列极限四函数极限与数则运算法则列极限的关系极限存在准函数极限四则则运算法则夹逼准则两个重要极限单调有界准无穷小的比则较高阶无穷小低阶无穷小同阶无穷小等价无穷小历年试题分类统计及考点分布考点复合函数极限四则两个重要单调有界无穷小的合计运算法则极限准则阶年份19871988 5 3 8 19891990 3 3 6 1991 5 3 8 1992 3 3 1993 5 3 8 1994 3 3 1995 3 3 1996 3 6 3 12 1997 3 3 199819992000 5 5 200120022003 4 4 8 2004 4 4 20052006 12 3 15 2007 4 4 2008 4 4 2009 4 4 2010 4 4 2011 10 10 20 合计8 18 37 32 27本部分常见的题型1.求分段函数的复合函数。
2.求数列极限和函数极限。
3.讨论函数连续性，并判断间断点类型。
4.确定方程在给定区间上有无实根。
一、 求分段函数的复合函数 例 1 (1988, 5 分) 设 f (x)e x2, f [ (x)]1 x 且 ( x) 0 求 (x) 及其定义,域。
解: 由 f (x) e x 2知 f [ ( x)] e2( x)1x ,又 (x) 0 ,则 ( x)ln(1 x), x 0 .例 2 (1990, 3 分) 设函数 f ( x)1, x1则 f [ f ( x)]10, x 1, .1, x1,练习题 : (1)设f (x)0, x1, g ( x)e x , 求f [ g( x)] 和 g[ f (x)] , 并作出这1, x 1,两个函数的图形。
高等数学(函数极限连续1)-精选文档-文档资料
函数、极限与连续1
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一、 集合及其运算（自己复习）
二、实数的完备性和确界存在定理 （去掉，可以不看）
实数集 R 和实数轴上的所有点一一对应
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三、 映射和函数
1、定义4.设 X , Y 是两个非空集合, 若存在一个对应规 则 f , 使得 x X , 有唯一确定的 y Y 与之对应, 则称 f 为从 X 到 Y 的映射, 记作 f : X Y .
则
y f [ g ( x )] , x D
称为由①, ②确定的复合函数 , u 称为中间变量. 注意: 构成复合函数的条件 R( g ) D( f ) 不可少. 例如, 函数链 : y arcsin u , u cos x , 可定义复合函数
y arcsin cos x, x R 约定: 为简单计, 书写复合函数时不一定写出其定义域, 默认对应的函数链顺次满足构成复合函数的条件.
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4. 反函数 若函数 f : D f ( D), D, f ( D) R 为单射, 则存在一新映射
f 1 : f ( D) D, 使 y f ( D) , f 1 ( y ) x , 其中 f ( x) y,
1 f 称此映射 为 f 的反函数 .
x f ( n ) , n N . n
数列的极限
(1)n1 } 的变化趋势。 观察数列 {1 n
数列的极限
(1)n1 } 的变化趋势。 观察数列 {1 n
数列的极限
(1)n1 } 的变化趋势。 观察数列 {1 n
数列的极限
(1)n1 } 的变化趋势。 观察数列 {1 n
《高等数学(上)》函数、极限与连续
26
四、 反函数
定理1.1
调函数必有反函数，且单调增加(减少)的函
数的反函数也是单调增加(减少)的.
27
本讲内容
01
预备知识
02
函数的概念
03
函数的性质及四则运算
04
反函数
05
复合函数
06
初等函数
07
建立函数关系举例
五、复合函数
定义1.5 设有函数链
y f (u ), u D f ，
(1.1)
3.双曲函数与反双曲函数
函数名称
函数的表达式
函数的图形
函数的性质
e − e−
双曲正弦 sh =
2
定义域 −∞, +∞ ;
奇函数；
单调增加.
e + e−
双曲余弦 ch =
2
定义域 −∞, +∞ ;
偶函数；
图像过点(0,1).
e + e−
双曲正切 th =
e + e−
定义域 −∞, +∞ ;
的开区间，记作(a, b)，如图1.1 a 所示.
即(a, b) x a x b.
O
a
b
x
（a）
2 满足不等式a x b 的所有实数x 的集合，称为以a、b为端点
的闭区间，记作[a, b]，如图1.1b 所示.
即[a, b] x a x b.
a
x 10，
1.6x，
即y
2.8x 12，x 10.
35
高等数学（上册）（慕课版）
第一章
函数、极限与连续
第二讲 极限的概念与性质
一元微积分(第一章 函数、极限、连续)共13页文档
第一章 函数、极限、连续重点：1、求函数的极限（最重要的方法是L ’P 法则）2、无穷小的比较3、考察分段函数在分段点的连续性4、间断点的判定及分类5、介值定理 一、函数1、函数的定义及表示法【理解函数的概念，掌握函数的表示法，会建立简单应用问题的函数关系式】 函数概念 ()y f x =函数的两要素 ⎧⎨⎩定义域对应规则函数的表示方法 ① 显函数： ()y f x =② 隐函数：由方程(,)0F x y =确定的函数()y y x =.例：1yy xe +=确定了()y y x =⇒01x y==．③ 参数方程表示的函数：由方程()()x x t y y t =⎧⎨=⎩确定的函数()y y x =.例：2ln(1)arctan x t y t ⎧=+⎨=⎩确定了()y f x =.④ 积分上限函数： ()()xax f t dt Φ=⎰．例：2311()(1)3xx t dt x Φ==-⎰⑤ 概率表示的函数：()()F x P X x =≤， 其中X 为随机变量，x 为实数.⑥ 分段函数：自变量不同范围内用不同式子表示的一个函数．【例】 ,0()sin ,0a x x f x x x x +≥⎧⎪=⎨<⎪⎩ ； 1sin ,0()0,0x x f x x x ⎧≠⎪=⎨⎪=⎩ . 如 A. 绝对值表示的函数 11111x x y x xx -≥⎧=-=⎨-<⎩ ；B. 极限表示的函数 2211()lim 0111n nn xx x f x x x x x x →∞⎧<-⎪=⋅==⎨+⎪->⎩； C. 其他形式 2022101()max{1,}12x x f x x xx ≤≤≤≤⎧==⎨<≤⎩ ．10sgn()0010x y x x x >⎧⎪===⎨⎪-<⎩-------符号函数[]y x =--取整函数．2、函数的性质 【了解函数的有界性，单调性，周期性，奇偶性】①．有界性：()f x 在某区间I 内有定义，若存在0M >，对任意x I ∈，总有()f x M ≤， 则称()f x 在某区间I 内有界.否则称()f x 在某区间I 内无界.例：2111sin1,(0);arctan ,();,1,()2121xx x x x R x R xx eπ≤≠≤∈≤<∈++． ②．单调性：()f x 在某区间I 内有定义，若12,x x I ∀∈，当12x x <时12()()f x f x ≤，就称()f x 单调上升；当12x x <时，12()()f x f x ≥，就称()f x 单调下降． 不含等号时称严格单增（或单减）.③．奇偶性：若()()f x f x -=， 则称()f x 为偶函数，偶函数的图形关于y 轴对称； 若()()f x f x -=-，则称()f x 为奇函数，奇函数的图形关于原点对称．④．周期性：()()(0)f x T f x T +=≠． （主要是三角函数）【例1】讨论()ln(f x x =的奇偶性． 【奇函数】 【例2】 设sin ()tan xf x x x e=⋅⋅，则()f x 是（ ）．A. 偶函数B. 无界函数C. 周期函数D. 单调函数． 【解】 因为 2x k ππ→+时， ()f x →∞，所以()f x 非有界即为无界函数.3、 基本初等函数 【掌握基本初等函数的性质及图形】 （反、对、幂、三、指）① 常数函数---y C =② 幂函数---y x μ= （μ为常数）例：21,y x y y x===③ 指数函数---x y a = （0,1a a >≠） ，xy e =④ 对数函数---log a y x = （0,1a a >≠） ， ln y x =， lg y x = ⑤ 三角函数---sin ,cos ,tan y x y x y x===⑥ 反三角函数---arcsin ,arctan y x y x==4、 复合函数、反函数、初等函数 【了解反函数和隐函数的概念，理解复合函数及分段函数的概 念，了解初等函数的概念】① 复合函数 (),()[()y f uu x y f x ϕϕ==⇒=；f 为外层函数，ϕ称为内层函数．② 反函数 ()y y x =的反函数为1()x fy -=或1()y fx -=.【例】3y x x y =⇒=⇒3y x =的反函数.【例】 sin xy e= 看作是由 ,sin uy e u x == 复合而成的复合函数.③ 初等函数：由六类基本初等函数经过有限次四则运算及有限次复合运算而得的用一个数学式子 表示的函数. 注意：分段函数一般不是初等函数。
第一章函数极限连续
第一章 函数 极限 连续一．函数1． 函数的概念（定义、定义域、对应法则、值域） 2． 函数的性态 1）单调性定义：单调增： ).()(2121x f x f x x <⇒< 单调不减： ).()(2121x f x f x x ≤⇒< 判定：（1）定义：(2）导数：设)(x f 在区间I 上可导，则 a) )(0)(x f x f ⇔≥'单调不减； b) )(0)(x f x f ⇒>'单调增； 2)奇偶性定义：偶函数 );()(x f x f =- 奇函数 ).()(x f x f -=- 判定：(1）定义：(2）设)(x f 可导，则：a))(x f 是奇函数⇒ )(x f '是偶函数；b))(x f 是偶函数⇒ )(x f '是奇函数； (3）连续的奇函数其原函数都是偶函数；连续的偶函数其原函数之一是奇函数。
3)周期性定义：)()(x f T x f =+ 判定：(1)定义；(2）可导的周期函数其导函数为周期函数； (3）周期函数的原函数不一定是周期函数； 4)有界性定义：若;)(,,0M x f I x M ≤∈∀>∃则称)(x f 在I 上有界。
判定：（1）定义：（2）)(x f 在],[b a 上连续)(x f ⇒在],[b a 上有界；（3）)(x f 在),(b a 上连续，且)0()0(-+b f a f 和存在)(x f ⇒在）（b a ,上有界； （4）)(x f '在区间I （有限）上有界)(x f ⇒在I 上有界； 3．复合函数与反函数 (函数分解成简单函数的复合,分段函数的复合) 4．基本的初等函数与初等函数 基本初等函数:常数，幂函数 ,指数,对数,三角,反三角。
了解它们定义域,性质,图形. 初等函数:由基本初等函数经过有限次的加、减、乘、除和复合所得到且能用一个 解析式表示的函数.题型一 复合函数例1设)1(-x f 的定义域为),0(],,0[>a a ，则)(x f 的定义域为 (A) ]1,1[+a (B) ]1,1[--a(C) ],1[a a - (D) ]1,[+a a例2已知,1)]([,)(2x x f e x f x -==ϕ且,0)(≥x ϕ求)(x ϕ及其定义域。
2021年考研-数学基础班-高等数学-第一讲-函数极限连续
2021数学基础班-高等数学-第一讲-函数 极限 连续
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2021数学基础班-高等数学-第一讲-函数 极限 连续
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2021数学基础班-高等数学-第一讲-函数 极限 连续
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第1章 函数、极限与连续
2019/10/31
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例1.1.2 已知函数f(x)x21, 求f(2) , f[f(x)]。
解： f(2)2215
f[f(x) ]f(x)21
(x2 1 )2 1x4 2 x2 2
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例1.1.3 已知函数f(x1)x23x2, 求f(x)。 解： 令x1t, 则xt1, 将其代入原式, 得 f( t) ( t 1 )2 3 ( t 1 ) 2 t2 5 t 6 f(x)x25x6
1ex 1ex
ln1x 1x
ex ex
1ln1x 1 1x
f (x)
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三、有界性
设函数f(x)的定义域为D,如果存在一个正数 M,使得对于D中某一个子区间I内任意一点x,总有 |f(x)|M (即Mf(x)M),则称函数在I上是有界的， 否则是无界的。
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42
二、反函数
定义4 设函数f(x)的定义域为D,值域为R, 若对于任意一个yR，有唯一一个xD， 使f(x)y成立,则x与y的对应关系在R上定 义了一个新函数,称为函数yf(x)的反函数, 记为xf 1(y)。
若把函数yf(x)称为直接函数,则直接 函数的定义域(或值域)恰好是它的反函数 xf 1(y)的值域(或定义域)。
2
2
2
2
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(5) 反三角函数
反正弦函数 yarc x,x s i[ n 1 ,1 ]
y
yarcx,x s i[ n 1 ,1 ]
2
1
o1
x
2
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反余弦函数 yarcx,cx o[ s1,1]
大学高等数学(高数)函数极限与连续
第一章函数、极限与连续由于社会和科学发展的需要，到了17世纪，对物体运动的研究成为自然科学的中心问题.与之相适应，数学在经历了两千多年的发展之后进入了一个被称为“高等数学时期”的新时代，这一时代集中的特点是超越了希腊数学传统的观点，认识到“数”的研究比“形”更重要，以积极的态度开展对“无限”的研究，由常量数学发展为变量数学，微积分的创立更是这一时期最突出的成就之一.微积分研究的基本对象是定义在实数集上的函数.极限是研究函数的一种基本方法，而连续性则是函数的一种重要属性.因此，本章内容是整个微积分学的基础.本章将简要地介绍高等数学的一些基本概念，其中重点介绍极限的概念、性质和运算性质，以及与极限概念密切相关的，并且在微积分运算中起重要作用的无穷小量的概念和性质.此外，还给出了两个极其重要的极限.随后，运用极限的概念引入函数的连续性概念，它是客观世界中广泛存在的连续变化这一现象的数学描述.第一节变量与函数一、变量及其变化范围的常用表示法在自然现象或工程技术中，常常会遇到各种各样的量.有一种量，在考察过程中是不断变化的，可以取得各种不同的数值，我们把这一类量叫做变量；另一类量在考察过程中保持不变，它取同样的数值，我们把这一类量叫做常量.变量的变化有跳跃性的，如自然数由小到大变化、数列的变化等，而更多的则是在某个范围内变化，即该变量的取值可以是某个范围内的任何一个数.变量取值范围常用区间来表示.满足不等式a x b ≤≤的实数的全体组成的集合叫做闭区间，记为,a b ⎡⎤⎣⎦，即,{|}a b x a x b =≤≤⎡⎤⎣⎦；满足不等式a x b <<的实数的全体组成的集合叫做开区间，记为(,)a b ，即(,){|}a b x a x b =<<；满足不等式a x b <≤(或a x b ≤<)的实数的全体组成的集合叫做左(右)开右(左)闭区间，记为 (,a b ⎤⎦ (或),a b ⎡⎣)，即(,{|}a b x a x b =<≤⎤⎦ (或),{|}a b x a x b =≤<⎡⎣)，左开右闭区间与右开左闭区间统称为半开半闭区间，实数a ，b 称为区间的端点.以上这些区间都称为有限区间.数b a -称为区间的长度.此外还有无限区间：(){|}x x -∞+∞=-∞<<+∞=R ，，(,{|}b x x b -∞=-∞<≤⎤⎦，(,){|}b x x b -∞=-∞<<，){|}a x a x +∞=≤<+∞⎡⎣，， (){|}a x a x +∞=<<+∞，，等等.这里记号“-∞”与“+∞”分别表示“负无穷大”与“正无穷大”.邻域也是常用的一类区间.设0x 是一个给定的实数，δ是某一正数，称数集:{}00|x x δx x δ-<<+为点0x 的δ邻域，记作0(,)U x δ.即(){}000,|U x δx x δx x δ=-<<+称点0x 为该邻域的中心，δ为该邻域的半径(见图1-1).称{}00(,)U x δx -为0x 的去心δ邻域，记作0(,)x δoU ，即{}00(,)|0U x δx x x δ︒=<-<图1-1下面两个数集(){}000,|U x δx x δx x ︒-=-<<，(){}000,|U x δx xx x δ︒+=<<+，分别称为0x 的左δ邻域和右δ邻域.当不需要指出邻域的半径时，我们用0()U x ，0()x oU 分别表示0x 的某邻域和0x 的某去心邻域，(),x δ-oU ，()0,U x δ︒+分别表示0x 的某左邻域和0x 的某右邻域.二、函数的概念在高等数学中除了考察变量的取值范围之外，我们还要研究在同一个过程中出现的各种彼此相互依赖的变量，例如质点的移动距离与移动时间.曲线上点的纵坐标与该点的横坐标，弹簧的恢复力与它的形变，等等.我们关心的是变量与变量之间的相互依赖关系，最常见的一类依赖关系，称为函数关系.定义1设A ，B 是两个实数集，如果有某一法则f ，使得对于每个数x A ∈，均有一个确定的数y B ∈与之对应，则称f 是从A 到B 内的函数.习惯上，就说y 是x 的函数，记作()y f x =()x A ∈其中，x 称为自变量，y 称为因变量，()f x 表示函数f 在x 处的函数值.数集A 称为函数f 的定义域，记为()D f ；数集{}()|(),f A y y f x x A B ==∈⊆称为函数f 的值域，记作()R f .从上述概念可知，通常函数是指对应法则f ，但习惯上用“() ,y f x x A =∈”表示函数，此时应理解为“由对应关系()y f x =所确定的函数f ”.确定一个函数有两个基本要素，即定义域和对应法则.如果没有特别规定，我们约定：定义域表示使函数有意义的范围，即自变量的取值范围.在实际问题中，定义域可根据函数的实际意义来确定.例如，在时间t 的函数()f t 中，t 通常取非负实数.在理论研究中，若函数关系由数学公式给出，函数的定义域就是使数学表达式有意义的自变量x 的所有可以取得的值构成的数集.对应法则是函数的具体表现，它表示两个变量之间的一种对应关系.例如，气温曲线给出了气温与时间的对应关系，三角函数表列出了角度与三角函数值的对应关系.因此，气温曲线和三角函数表表示的都是函数关系.这种用曲线和列表给出函数的方法，分别称为图示法和列表法.但在理论研究中，所遇到的函数多数由数学公式给出，称为公式法.例如，初等数学中所学过的幂函数、指数函数、对数函数、三角函数与反三角函数都是用公式法表示的函数.从几何上看，在平面直角坐标系中，点集()(){(,)|,}x y y f x x D f =∈称为函数()y f x =的图像（如图1-2所示）.函数()y f x =的图像通常是一条曲线，()y f x =也称为这条曲线的方程.这样，函数的一些特性常常可借助于几何直观来发现；相反，一些几何问题，有时也可借助于函数来作理论探讨.现在我们举一个具体函数的例子.图1-2例1求函数2141y x x =-+-的定义域. 解要使数学式子有意义，x 必须满足> ,240,10x x ⎧-≥⎪⎨-⎪⎩即>2,1.x x ⎧≤⎪⎨⎪⎩由此有12x <≤，因此函数的定义域为(12⎤⎦，.有时一个函数在其定义域的不同子集上要用不同的表达式来表示对应法则，称这种函数为分段函数.下面给出一些今后常用的分段函数.例2绝对值函数<,0,,0.x x y x x x ≥⎧==⎨-⎩ 的定义域()()D f =-∞+∞，，值域()[0,)R f =+∞，如图1-3所示.例3符号函数<>1,0,sgn 0,0,1,0x y x x x -⎧⎪===⎨⎪⎩的定义域()()D f =-∞+∞，，值域()11{0}R f =-，，，如图1－4所示.图1-3 图1-4例4 最大取整函数y x =⎡⎤⎣⎦，其中x ⎡⎤⎣⎦表示不超过x 的最大整数.例如，113⎡⎤-=-⎢⎥⎣⎦，00=⎡⎤⎣⎦，12⎡⎤=⎣⎦，π3=⎡⎤⎣⎦等等.函数y x =⎡⎤⎣⎦的定义域()()D f =-∞+∞，，值域(){}R f =整数.一般地，y x n ==⎡⎤⎣⎦，1n x n ≤<+，120,,n =±±，，如图1-5所示. 图1-5在函数的定义中，对每个()x D f ∈，对应的函数值y 总是唯一的，这样定义的函数称为单值函数.若给定一个对应法则g ，对每个()x D g ∈，总有确定的y 值与之对应，但这个y 不总是唯一的，我们称这种法则g 确定了一个多值函数.例如，设变量x 与y 之间的对应法则由方程2225x y +=给出，显然，对每个55[,]x ∈-，由方程2225x y +=可确定出对应的y 值，当5x =或5-时，对应0y =一个值；当55(,)x ∈-时，对应的y 有两个值.所以这个方程确定了一个多值函数.对于多值函数，往往只要附加一些条件，就可以将它化为单值函数，这样得到的单值函数称为多值函数的单值分支.例如，由方程2225x y +=给出的对应法则中，附加“0y ≥”的条件，即以“2225x y +=且0y ≥”作为对应法则，就可以得到一个单值分支()2125y g x x ==-；附加“0y ≤”的条件，即以“2225x y +=且0y ≤”作为对应法则，就可以得到一个单值分支22()25y g x x ==--.在有些实际问题中，函数的自变量与因变量是通过另外一些变量才建立起它们之间的对应关系的，如高度为一定值的圆柱体的体积与其底面圆半径r 的关系，就是通过另外一个变量其底面圆面积S 建立起来的对应关系.这就得到复合函数的概念.定义2设函数()y f u =的定义域为()D f ，函数()u g x =在D 上有定义，且()()g D D f ⊆.则由下式确定的函数()()y f g x =，x D ∈称为由函数()y f u =与函数()u g x =构成的复合函数，记作()()()()y f g x f g x =︒=，x D ∈，它的定义域为D ，变量u 称为中间变量.这里值得注意的是，D 不一定是函数()u g x =的定义域()D g ，但()D D g ⊆.D 是()D g 中所有使得()()g x D f ∈的实数x 的全体的集合.例如，()y f u u ==，()21u g x x ==-.显然，u 的定义域为(),-∞+∞，而()(0,)D f =+∞.因此，11,D -⎡⎤⎣⎦＝，而此时1()0,R f g ︒=⎡⎤⎣⎦.两个函数的复合也可推广到多个函数复合的情形.例如，log a μxu y x a ==()10a a >≠且可看成由指数函数u y a =与log a u μx =复合而成.又形如()log ()()()a v x u x v x y u x a ==()0u x ⎡⎤⎣⎦＞()10a a >≠且的函数称为幂指函数，它可看成由wy a =与()log ()a w v x u x =复合而成.而2sin y x =可看成由y u =，sin u v =，2v x =复合而成.例5设()1xf x x =+()1x ≠-，求()()()f f f x解令()y f w =，()w f u =，()u f x =，则()()()f f f x 是通过两个中间变量w 和u 复合而成的复合函数，因为()111121x x x x ux w f u u x ++====+++，12x ≠-； ()2121,1131xx x x wxy f w w x ++====+++13x ≠-， 所以()()()31x f f f x x =+，111,,23x ≠---.定义3设给定函数()y f x =，其值域为()R f .如果对于()R f 中的每一个y 值，都有只从关系式()y f x =中唯一确定的x 值与之对应，则得到一个定义在()R f 上的以y 为自变量，x 为因变量的函数，称为函数()y f x =的反函数，记为()1x f y -=.从几何上看，函数()y f x =与其反函数()1x f y -=有同一图像.但人们习惯上用x 表示自变量，y 表示因变量，因此反函数()1x f y -=常改写成()1y f x -=.今后，我们称()1y f x -=为()y f x =的反函数.此时，由于对应关系1f-未变，只是自变量与因变量交换了记号，因此反函数()1y f x -=与直接函数()y f x =的图像关于直线y x =对称，如图 1 -6所示.图1-6值得注意的是，并不是所有函数都存在反函数，例如函数2y x =的定义域为()-∞+∞，，值域为，但)0+∞⎡⎣，对每一个()0y ∈+∞，，有两个x 值即1x y 和2x y =-因此x 不是y 的函数，从而2y x =不存在反函数.事实上，由逆映射存在定理知，若f 是从()D f 到()R f 的一一映射，则f 才存在反函数1f-.例6设函数(1)1xf x x +=+()1x ≠-，求()11f x -+. 解函数()1y f x =+可看成由()y f u =，1u x =+复合而成.所求的反函数()11y f x -=+可看成由()1y f u -=，1u x =+复合而成.因为()11x u f u x u-==+，0u ≠， 即1u y u -=，从而，()11u y -=-，11u y=-， 所以()111y f u u-==-，因此()1111 ,01(1)f x x x x-+==-≠-+.三、函数的几种特性1. 函数的有界性设函数()f x 在数集D 上有定义，若存在某个常数L ，使得对任一x D ∈有()f x L ≤（或()f x L ≥）， 则称函数()f x 在D 上有上界（或有下界），常数L 称为()f x 在D 上的一个上界（或下界）；否则，称()f x 在D 上无上界（或无下界）.若函数()f x 在D 上既有上界又有下界，则称()f x 在D 上有界；否则，称()f x 在D 上无界.若()f x 在其定义域D f （）上有界，则称()f x 为有界函数.容易看出，函数()f x 在D 上有界的充要条件是：存在常数M>0，使得对任一x D ∈，都有()f x M ≤.例如，函数sin y x =在其定义域()-∞+∞，内是有界的，因为对任一()x ∈-∞+∞，都有sin 1x ≤，函数1y x=在()10,内无上界，但有下界. 从几何上看，有界函数的图像界于直线y M =±之间. 2. 函数的单调性设函数()f x 在数集D 上有定义，若对D 中的任意两数12,x x 12()x x <，恒有()()12f x f x ≤ [或()()12f x f x ≥]，则称函数()f x 在D 上是单调增加（或单调减少）的.若上述不等式中的不等号为严格不等号，则称为严格单调增加（或严格单调减少）的.在定义域上单调增加或单调减少的函数统称为单调函数；严格单调增加或严格单调减少的函数统称为严格单调函数.如图1-7所示.图1-7例如，函数()3f x x =在其定义域()-∞+∞，内是严格单调增加的；函数()cos f x x =在π0,（）内是严格单调减少的.从几何上看，若()y f x =是严格单调函数，则任意一条平行于x 轴的直线与它的图像最多交于一点，因此()y f x =有反函数.3.函数的奇偶性设函数()f x 的定义域()D f 关于原点对称（即若()x D f ∈，则必有()x D f -∈.若对任意的()x D f ∈，都有()()f x f x -=-[或()()f x f x -=]，则称()f x 是()D f 上的奇函数（或偶函数）.奇函数的图像对称于坐标原点，偶函数的图像对称于y 轴，如图1－11所示.图1-8例7讨论函数()()ln 21f x x x =+的奇偶性. 解函数()f x 的定义域()-∞+∞，是对称区间，因为()(ln 2211ln 1f x x x x x⎛⎫-=-+=++ (()ln 21x x f x =-++=-所以，()f x 是()-∞+∞，上的奇函数.4.函数的周期性设函数()f x 的定义域为()D f ，若存在一个不为零的常数T ，使得对任意()x D f ∈，有x T D f ±∈（）（），且f x T f x +=（）（），则称()f x 为周期函数，其中使上式成立的常数T 称为()f x 的周期，通常，函数的周期是指它的最小正周期，即：使上式成立的最小正数T T （如果存在的话）.例如，函数sin f x x =（）的周期为π2；()tan f x x =的周期是π. 并不是所有函数都有最小正周期，例如，狄利克雷（Dirichlet ）函数为数为无数10 ,) (,x D x x ⎧=⎨⎩有理，理. 任意正有理数都是它的周期，但此函数没有最小正周期.四、函数应用举例下面通过几个具体的问题，说明如何建立函数关系式.例8火车站收取行李费的规定如下：当行李不超过50千克时，按基本运费计算.如从上海到某地每千克以0.15元计算基本运费，当超过50千克时，超重部分按每千克0.25元收费.试求上海到该地的行李费y （元）与重量x （千克）之间的函数关系式，并画出函数的图像.解当500x <≤时，150.y x =；当50x >时，1552550.00.(0)y x =⨯+-. 所以函数关系式为：0.15, 050;7.50.25(50),50.x x y x x <≤⎧=⎨+->⎩ 这是一个分段函数，其图像如图1－9所示.图1-9例9某人每天上午到培训基地A 学习，下午到超市B 工作，晚饭后再到酒店C 服务，早、晚饭在宿舍吃，中午带饭在学习或工作的地方吃.A B C ，，位于一条平直的马路一侧，且酒店在基地与超市之间，基地与酒店相距3km ，酒店与超市相距5km ，问该打工者在这条马路的A 与B 之间何处找一宿舍（设随处可找到），才能使每天往返的路程最短. 解如图1-10所示，设所找宿舍D 距基地A 为x （km ），用f x （）表示每天往返的路程函数.图1-10 当D 位于A 与C 之间，即30x ≤≤时，易知()()8823222f x x x x x =++-+-=-（）， 当D 位于C 与B 之间，即38x ≤≤时，则()882312()()0.f x x x x x =++-+-=+ 所以22,03;()102,38.x x f x x x -≤≤⎧=⎨+≤≤⎩这是一个分段函数，如图1-11所示，在30,⎡⎤⎣⎦上，()f x 是单调减少，在38,⎡⎤⎣⎦上，()f x 是单调增加.从图像可知，在3x =处，函数值最小.这说明，打工者在酒店C 处找宿舍，每天走的路程最短.图1-11五、基本初等函数初等数学里已详细介绍了幂函数、指数函数、对数函数、三角函数、反三角函数，以上我们统称为基本初等函数.它们是研究各种函数的基础.为了读者学习的方便，下面我们再对这几类函数作一简单介绍.1.幂函数 函数μy x = (μ是常数)称为幂函数.幂函数μy x =的定义域随μ的不同而异，但无论μ为何值，函数在()0+∞，内总是有定义的.当0μ>时，μy x =在)0+∞⎡⎣，上是单调增加的，其图像过点0,0（）及点()1,1，图1-12列出了12μ=，1μ=，2μ=时幂函数在第一象限的图像.当0μ<时，μy x =在()0+∞，上是单调减少的，其图像通过点()1,1，图1-13列出了12μ=-，1μ=-，2μ=-时幂函数在第一象限的图像.图1-12图1-132.指数函数 函数x y a =(a 是常数且10a a >≠，)称为指数函数.指数函数xy a =的定义域是()-∞+∞，，图像通过点()10,，且总在x 轴上方.当时1a >，x y a =是单调增加的；当10a <<时，x y a =是单调减少的，如图1-14所示. 以常数e 271828182.=为底的指数函数e x y =是科技中常用的指数函数.图1-143. 对数函数指数函数x y a =的反函数，记作log a y x =（a 是常数且10,a a >≠)，称为对数函数.对数函数log a y x =的定义域为()0+∞，，图像过点()1,0.当1a >时，log a y x =单调增加；当10a <<时，log a y x =单调减少，如图1-15所示. 科学技术中常用以e 为底的对数函数e log y x =，图1-15它被称为自然对数函数，简记作ln y x =.另外以10为底的对数函数1log 0y x =，也是常用的对数函数，简记作g l y x =.4.三角函数常用的三角函数有正弦函数siny x =， 余弦函数cos y x =， 正切函数tany x =， 余切函数 cot y x =，其中自变量x 以弧度作单位来表示.它们的图形如图1-16，图1-17，图1-18和图1-19所示，分别称为正弦曲线，余弦曲线，正切曲线和余切曲线.图1-16图1-17正弦函数和余弦函数都是以π2为周期的周期函数，它们的定义域都为(),-∞+∞，值域都为1,1-⎡⎤⎣⎦.正弦函数是奇函数，余弦函数是偶函数.图1-18 图1-19由于πcos sin 2x x ⎛⎫=+ ⎪⎝⎭，所以，把正弦曲线sin y x =沿x 轴向左移动π2个单位，就获得余弦曲线cos y x =.正切函数sin tan cos xy x x==的定义域为()21{|(),}D f x x x n n =∈≠+R ，整为数. 余切函数cos cot sin xy x x==的定义域为 ()π{,}D f x x x n n =∈≠R ｜，整为数.正切函数和余切函数的值域都是()-∞+∞，，且它们都是以π为周期的函数，且都是奇函数. 另外，常用的三角函数还有正割函数sec y x =；余割函数csc y x =.它们都是以π2为周期的周期函数，且1sec cos x x=；1csc sin x x =.5.反三角函数常用的反三角函数有反正弦函数arcsin y x =(如图1-20)；反余弦函数arccos y x =(如图1-21)； 反正切函数arctan y x =(如图1-22)； 反余切函数arccot y x = (如图1-23).它们分别称为三角函数sin y x =，cos y x =，tan y x =和cot y x =的反函数.这四个函数都是多值函数.严格来说，根据反函数的概念，三角函数sin y x =，cos y x =，tan y x =和cot y x =在其定义域内不存在反函数，因为对每一个值域中的数y ，有多个x 与之对应.但这些函数在其定义域的每一个单调增加（或减少）的子区间上存在反函数.例如，sin y x =在闭区间,22ππ⎡⎤-⎢⎥⎣⎦上单调增加，从而存在反函数，称此反函数为反正弦函数arcsin x 的主值，记作y =arcsin x .通常我们称arcsin y x =为反正弦函数.其定义域为11,-⎡⎤⎣⎦，值域为,22ππ⎡⎤-⎢⎥⎣⎦.反正弦函数arcsin y x =在11,-⎡⎤⎣⎦上是单调增加的，它的图像如图1-20中实线部分所示. 类似地，可以定义其他三个反三角函数的主值arccos arctan ,y x y x ==和arccot y x =，它们分别简称为反余弦函数，反正切函数和反余切函数.反余弦函数arccos y x =的定义域为1,1-⎡⎤⎣⎦，值域为π0,⎡⎤⎣⎦，在1,1-⎡⎤⎣⎦上是单调减少的，其图像如图1-21中实线部分所示.反正切函数arctan y x =的定义域为(),-∞+∞，值域为ππ22⎛⎫- ⎪⎝⎭，，在()-∞+∞，上是单调增加的，其图像如图1-22中实线部分所示.反余切函数arccot y x =的定义域为()-∞+∞，，值域为π0,（），在()-∞+∞，上是单调减少的，其图像如图1-23中实线部分所示.图1-20图1-21图1-22图1-23六、初等函数由常数和基本初等函数经有限次四则运算和复合运算得到并且能用一个式子表示的函数，称为初等函数.例如，23sin4y x x =+，()ln 21y x x =++，3arctan22sin lg(1)1x y x x x =++++ 等等都是初等函数.分段函数是按照定义域的不同子集用不同表达式来表示对应关系的，有些分段函数也可以不分段而表示出来，分段只是为了更加明确函数关系而已.例如，绝对值函数也可以表示成2y x x ==；函数1,,()0,x a f x x a <⎧=⎨>⎩ 也可表示成2()1()12x a f x x a ⎛⎫- ⎪=-⎪-⎝⎭.这两个函数也是初等函数.七、双曲函数与反双曲函数1. 双曲函数双曲函数是工程和物理问题中很有用的一类初等函数.定义如下：双曲正弦sh e e 2x x x --=()x -∞<<+∞， 双曲余弦ch e e 2x x x -+=()x -∞<<+∞， 双曲正切th e e e e sh ch x xx xx x x ---==+()x -∞<<+∞， 其图像如图1-24和图1-25所示图1-24图1-25.双曲正弦函数的定义域为()x -∞<<+∞，它是奇函数，其图像通过原点()0,0且关于原点对称.在()x -∞<<+∞内单调增加.双曲余弦函数的定义域为()x -∞<<+∞，它是偶函数，其图像通过点()10,且关于y 轴对称，在(),0-∞内单调减少；在()0+∞，内单调增加.双曲正切函数的定义域为()x -∞<<+∞，它是奇函数，其图像通过原点()0,0且关于原点对称.在()x -∞<<+∞内是单调增加的.由双曲函数的定义，容易验证下列基本公式成立.()sh sh ch ch sh x y x y x y ±=±，()ch ch ch sh sh x y x y x y ±=±，sh22sh ch x x x =，2222ch2ch sh 12sh 2ch 1x x x x x =+=+=-，22ch sh 1x x -=.2. 反双曲函数双曲函数的反函数称为反双曲函数，sh y x =，ch y x =和th y x =的反函数，依次记为反双曲正弦函数a rsh y x =， 反双曲余弦函数arch y x =， 反双曲正切函数a rth y x =.反双曲正弦函数a rsh y x =的定义域为()-∞+∞，，它是奇函数，在()-∞+∞，内单调增加，由sh y x =的图像，根据反函数作图法，可得a rsh y x =的图像，如图1-26所示.利用求反函数的方法，不难得到()a rsh ln 21y x x x ==++.反双曲余弦函数arch y x =的定义域为)1+∞⎡⎣，，在)1+∞⎡⎣，上单调增加，如图1-27所示，利用求反函数的方法，不难得到()arch ln 21y x x x ==+-.图1-26 图1-27反双曲正切函数a rtanh y x =的定义域为11()-，，它在11()-，内是单调增加的.它是奇函数，其图像关于原点(00)，对称，如图1-28所示.容易求得 a rth 1ln1xy x x+==-.图1-28第二节数列的极限一、数列极限的定义定义1如果函数f 的定义域()*{}D f N ==，，，123，则函数f 的值域()(){}**|f N f n n N =∈中的元素按自变量增大的次序依次排列出来，就称之为一个无穷数列，简称数列，即()()()12,,f f f n ，，.通常数列也写成12,n x x x ，，，，并简记为{}n x ，其中数列中的每个数称为一项，而()n x f n =称为一般项.对于一个数列，我们感兴趣的是当n 无限增大时，n x 的变化趋势. 我们看下列例子：数列12,,,,231n n +(1－2－1)的项随n 增大时，其值越来越接近1；数列2462n ，，，，，(1－2－2) 的项随n 增大时，其值越来越大，且无限增大；数列1111(1)0,n n-+-，，，， (1－2－3)的各项值交替地取1与0；数列()11111,,,,,23n n--- (1－2－4)的各项值在数0的两边跳动，且越来越接近0；数列2222，，，，，(1－2－5) 各项的值均相同.在中学教材中，我们已知道极限的描述性定义，即“如果当项数n 无限增大时，无穷数列{}n x 的一般项n x 无限地趋近于某一个常数a （即n x a -无限地接近于0），那么就说a 是数列{}n x 的极限”.于是我们用观察法可以判断数列{}1n n -，1(1)n n -⎧⎫-⎨⎬⎩⎭，{}2都有极限，其极限分别为1,20，.但什么叫做“n x 无限地接近a ”呢？在中学教材中没有进行理论上的说明.我们知道，两个数a 与b 之间的接近程度可以用这两个数之差的绝对值b a -来度量.在数轴上b a -表示点a 与点b 之间的距离，b a -越小，则a 与b 就越接近，就数列(1-2-1)来说，因为111n x n n-=-=， 我们知道，当n 越来越大时，1n 越来越小，从而n x 越来越接近1.因为只要n 足够大，11n x n-=就可以小于任意给定的正数，如现在给出一个很小的正数1100，只要n 100>即可得11100n x -<，11120,0,n =如果给定110000，则从10001项起，都有下面不等式1110000n x -<成立.这就是数列1n n x n-=12 (,,)n =，当n →∞时无限接近于1的实质. 一般地，对数列{}n x 有以下定义.定义2设{}n x 为一数列，若存在常数a 对任意给定的正数ε(无论多么小)，总存在正整数N ，当n N >时，有不等式n x a ε-<即(,)n x U a ε∈，则称数列{}n x 收敛，a 称为数列{}n x 当n →∞时的极限，记为lim n n x a →∞=或n x a →()n →+∞.若数列{}n x 不收敛，则称该数列发散.定义中的正整数N 与ε有关，一般说来，N 将随ε减小而增大，这样的N 也不是唯一的.显然，如果已经证明了符合要求的N 存在，则比这个N 大的任何正整数均符合要求，在以后有关数列极限的叙述中，如无特殊声明，N 均表示正整数.此外，由邻域的定义可知，()n x U a ε∈，等价于n x a ε-<.我们给“数列{}n x 的极限为a ”一个几何解释： 将常数a 及数列123,,,,,n x x x x 在数轴上用它们的对应点表示出来，再在数轴上作点a 的ε邻域，即开区间(,)a εa ε-+，如图1-29所示图1-29因两个不等式||n x a ε-<，n a εx a ε-<<+等价，所以当n N >时，所有的点n x 都落在开区间(,)a εa ε-+内，而只有有限个点（至多只有N 个点）在这区间以外.为了以后叙述的方便，我们这里介绍几个符号，符号“∀”表示“对于任意的”、“对于所有的”或“对于每一个”；符号“∃”表示“存在”；符号“{}ax m X ”表示数集X 中的最大数；符号“{}min X ”表示数集X 中的最小数.数列极限lim n n x a →∞=的定义可表达为：lim n n x a →∞=0ε⇔∀>，∃正整数N ，当n N >时，有n x a ε-<.例1证明1lim 02nn →∞=.证0ε∀>(不防设1ε<)，要使11022nn ε-=<，只要21n ε>，即ln ln21/n ε>（）. 因此，0ε∀>，取ln /ln21N ε⎡⎤⎛⎫= ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦，则当n N >时，有102n ε-<.由极限定义可知 1lim 02n n →∞=. 例2证明π1lim cos04n n n →∞=. 证由于ππ111cos 0cos 44n n n n n -=≤，故0ε∀>，要使π1cos 04n εn -<，只要1εn <，即1n ε>.因此，0ε∀>，取1N ε⎡⎤=⎢⎥⎣⎦，则当n N >时，有π1cos 04n εn -<.由极限定义可知π1lim cos 04n n n →∞=. 用极限的定义来求极限是不太方便的，在本章的以后篇幅中，将逐步介绍其他求极限的方法.二、数列极限的性质定理1（惟一性）若数列收敛，则其极限惟一.证设数列{}n x 收敛，反设极限不惟一：即lim n n x a →∞=，lim n n x b →∞=，且a b ≠，不妨设a b <，由极限定义，取2b a ε-=，则10N ∃＞，当1n N >时，2n b ax a --<，即 322n a b a bx -+＜＜，（1-2-6） 20N ∃>，当2n N >时，2n b a x b --<，即322n a b b ax +-＜＜，(1-2-7) 取{}12m ,N ax N N =，则当n N >时，(1-3-6)，(1-3-7)两式应同时成立，显然矛盾.该矛盾证明了收敛数列{}n x 的极限必惟一.定义3 设有数列{}n x ，若存在正数M ，使对一切12,,n =，有n x M ≤，则称数列{}n x 是有界的，否则称它是无界的.对于数列{}n x ，若存在常数M ，使对12n =，，，有n x M ≤，则称数列{}n x 有上界；若存在常数M ，使对12,,n =，有n x M ≥，则称数列{}n x 有下界.显然，数列{}n x 有界的充要条件是{}n x 既有上界又有下界. 例3数列{}211n +有界；数列{}2n 有下界而无上界；数列{}2n -有上界而无下界；数列{}11nn --（）既无上界又无下界. 定理2（有界性）若数列{}n x 收敛，则数列{}n x 有界.证 设lim n n x a →∞=，由极限定义，0ε∀>，且1ε<，0N ∃>，当n N >时，1||n x a ε-<<，从而<1n x a +.取{}12m 1,,,,N M ax a x x x =+⋯，则有n x M ≤，对一切123,,,n =，成立，即{}n x 有界.定理2的逆命题不成立，例如数列{}1()n -有界，但它不收敛.定理3（保号性）若lim n n x a →∞=，0a >（或0a <），则0N ∃>，当n N >时，0n x >（或0n x <）. 证由极限定义，对02a ε=>，0N ∃>，当n N >时，2n a x a -<，即322n a x a <<，故当n N>时，02n ax >>. 类似可证0a <的情形.推论设有数列{}n x ，0N ∃>，当n N >时，0n x > (或0n x <)，若lim n n x a →∞=，则必有0a ≥(或0a ≤).在推论中，我们只能推出0a ≥ (或0a ≤)，而不能由0n x > (或0n x <)推出其极限(若存在)也大于0(或小于0).例如10n x n=>，但1lim lim 0n n n x n →∞→∞==.下面我们给出数列的子列的概念.定义4在数列{}n x 中保持原有的次序自左向右任意选取无穷多个项构成一个新的数列，称它为{}n x 的一个子列.在选出的子列中，记第1项为1n x ，第2项为2n x ，…，第k 项为k n x ，…，则数列{}n x 的子列可记为{}k n x .k 表示k n x 在子列{}k n x 中是第k 项，k n 表示k n x 在原数列{}n x 中是第k n 项.显然，对每一个k ，有k n k ≥；对任意正整数h ，k ，如果h k ≥，则h k n n ≥；若h k n n ≥，则h k≥由于在子列{}k n x 中的下标是k 而不是k n ，因此{}k n x 收敛于a 的定义是：0ε∀>，0K ∃>，当k K >时，有k n x a ε-<.这时，记为lim k n k x a →+∞= .定理4lim n k x a →∞=的充要条件是：{}n x 的任何子列{k n x }都收敛，且都以a 为极限. 证先证充分性.由于{}n x 本身也可看成是它的一个子列，故由条件得证. 下面证明必要性.由lim n k x a →∞=，0ε∀>，0N ∃>，当n N >时，有n x a ε-<.今取K N =，则当k K >时，有k K N n n n N >=≥，于是k n x a ε-<.故有lim k n k x a →∞=.定理4用来判别数列{}n x 发散有时是很方便的.如果在数列{}n x 中有一个子列发散，或者有两个子列不收敛于同一极限值，则可断言{}n x 是发散的.例4判别数列{}*πsin ,8n n x n N =∈的收敛性.解在{}n x 中选取两个子列：{}*8πsin ,8k k N ∈，即{}πππ8168sin ,sin ,sin ,888k ⋅⋅⋅⋅⋅⋅； ()*164πsin ,8k k N +⎧⎫∈⎨⎬⎩⎭，即()ππ16420sin ,sin ,88k ⎧⎫+⎪⎪⋅⋅⋅⋅⋅⋅⎨⎬⎪⎪⎩⎭. 显然，第一个子列收敛于0，而第二个子列收敛于1，因此原数列{}πsin 8n 发散.三、收敛准则定义5数列{}n x 的项若满足121n n x x x x +≤≤≤≤≤，则称数列{}n x 为单调增加数列；若满足121n n x x x x +≥≥≥≥≥，则称数列{}n x 为单调减少数列.当上述不等式中等号都不成立时，则分别称{}n x 是严格单调增加和严格单调减少数列.收敛准则单调增加有上界的数列必有极限；单调减少有下界的数列必有极限. 该准则的证明涉及较多的基础理论，在此略去证明.例5证明数列11nn ⎧⎫⎪⎪⎛⎫+⎨⎬ ⎪⎝⎭⎪⎪⎩⎭收敛.证根据收敛准则，只需证明11nn ⎧⎫⎪⎪⎛⎫+⎨⎬ ⎪⎝⎭⎪⎪⎩⎭单调增加且有上界（或单调减少且有下界）.由二项式定理，我们知道1221111(1)1n n n n n n nx C C C n n n n =+=++++ 11112112111(1)(1)(1)(1)(1)(1)2!3!!n n n n n n n n -=++-+--++---，11211111211111(1)111(1)(1)n n n n n n n x C C C n n n n +++++++=+=++++++++ 1111211(1)(1)(1)2!13!11n n n =++-+--++++1121(1)(1)(1)!111n n n n n -+--++-+++ 112(1)(1)(1)(1)!111n n n n n +--++-++++， 逐项比较n x 与1n x +的每一项，有1n n x x +<，1,2,.n =这说明数列{}n x 单调增加，又111112!3!!n x n <+++++ 211111222n <+++++111121331212nn --=+=-<-.。