摘要:极限是高等数学的一个重要概念,文章给出八种求极限的方法,将复杂的求极限问题具体化,为微积分学打下坚实的基础。
关键词:初等函数 连续性 有界函数 等价无穷小 罗比达法则
极限是数学中的重要部分,极限思想不仅在数学中,在许多相关科学中都会用到,极限是微积分的灵魂,只有理解这一概念,才能领会微积分的实质。
求数列极限与函数极限是数学分析中最难的部分,在求极限过程中,应注意使用这些方法的条件,以防出错。下面给出几种求函数和数列极限的方法(以函数为主)。
一、利用初等函数的连续性求极限
由于初等函数在定义域内都连续,因此,就可以利用连续性的定义:设函数y=f(x)在点x0的某一邻域内有定义,如果函数f(x)当xx0时的极限存在,且等于它在x0处的函数值f(x0),即xx0 f(x)f(x0)那么,就称函数f(x0)在点x0连续。如,求函数y=sinx在x=0的极限,由于y=sinx在x=0连续,故x0时ysin0即x0是y0。
二、利用极限四则运算法则求极限
在自变量的同一变化过程中,如果函数f(x)和g(x)的极限都存在,那么它们和、差、积、商(求商时分母的极限不等于零)的极限等于它们极限的和、差、积、商。
三、利用两个重要极限
当X0时,sinx?筑x1。当x∞时(1?筑1?筑x)xe。[注意它的变形,当x0时,(1+x)1?筑xe]利用这两个公式时,要会变形,这点很重要。如求函数y=sin3x?筑x在x=0的极限,可以先将y=sin3x?筑x变形为y=sin3x?筑3x,先求sin3x?筑3x在x=0的极限为1,然后乘以3,故结果为3。如求函数y=(3x+4?筑3x-1)x+1在x∞时的极限,可以先将y=(3x+4?筑3x+1)x+1变形为y=(1+5?筑3x+1)x+1=(1+1?筑3x+1?筑5)x+1=(1+1/3x+1/5)(3x+1?筑5)5?筑3+2?筑3,然后就可得出结果为e5?筑3。
四、利用有界变量与无穷小的乘积仍为无穷小求极限
在自变量的同一变化过程中,函数f(x)的极限为零,则称f(x)为自变量在此变化过程中的无穷小量(简称无穷小)。如求y=xsin1?筑x在x0时的极限,因为y=sin1?筑x是一有界函数,它大于等于-1,小于等于1,而x0时,y=x0,显然是这一过程中的一个无穷小,故y=xsinl?筑x在x一0时的极限为零。在求这一题时,如果考虑不到的话,会得出这样的错误结论:y=sin1?筑x在x0时极限不存在,故x0时,y=xsin1?筑x的极限不存在。
五、利用等价无穷小替换求极限
在自变量的同一变化过程中,如果y=f(x)与y=g(x)的极限都为零,并且f(x)?筑g(x)的极限为1,那么称f(x)与g(x)是等价无穷小,记作f(x)~g(x)。利用这一法则可以大大减少运算量,简单明了。常用的等价无穷小有sinx~x,tanx~x,arcsinx~x,1n(1+x)~x,ex-1~x,1-cosx~x2?筑2.这几个等价无穷小成立的前提都是x0.如求y=arcsinx?筑x在x0时的极限,就可以将arcsinx直接换成x,原式变成y=x?筑x,即y=l,故极限为1。
六、利用恒等变形化简表达式求极限
如果遇到数学式比较复杂时,就要先化简,然后再求极限。
七、利用极限存在准则求极限
(1)如果函数f(x),g(x),h(x)满足下列条件:①当x∈U(x0,r)或|x|>X时,有g(x)≤f(x)≤h(x)②在自变量的同一变化过程中,g(x)与h(x)的极限存在且都等于A,那么f(x)的极限存在,且等于A。
(2)如果数列{xn}满足条件x1≤x2≤…≤xn≤xn+l≤……,则称数列{xn}是单调增加的;如果数列{xn}满足条件x1?燮x2?燮……?燮xn?燮xn+l ?燮……,则称数列{xn}是单调减少的,单调增加或单调减少的数列简称单调数列,单调有界数列必收敛,这就是单调有界收敛准则。
八、利用罗比达法则求极限
设函数f(x),g(x)满足:(1)xa时,f(x)0,xa时,g(x)0;(2)在点a的某去心邻域内,f′(x)与g′,(x)存在且g′(x)≠0,(3)xa时,f′(x)?筑g′(x)存在或为无穷大,则xa时f(x)?筑g(x)存在或为无穷大,且xa时,f(x)?筑g(x)与f′(x)?筑g′(x)的极限存在且相等(在x∞时,上面结论仍然成立)。如求y=lnx?筑xn(n>0)在x∞时的极限,由罗比达法则,得lnx?筑x与(1nx)′?筑(xn)′的极限相等,而后者的极限很容易求出为零,故结果为零。有了罗比达法则,原来遇到的较难的0?筑0型求极限的内容就变得简单了。
同样,如果遇到的是数列求极限,上面的二到六的法则都能对应使用。只不过是将函数变成数列就行。从上面的方法可以得出,在求极限时,如果遇到0?筑0型,最好用等价无穷小最简单,其次考虑看是否满足罗比达法则,能的话,用罗比达法则。如果遇到的是分子与分母都是多项式(在x∞时),注意这时分子分母的极限都不存在,因此,先将分子与分母同除以x的最高次方,变形成极限存在的情况,然后得出结论,再总结结论:分子的最高次方大于分母的最高次方,极限为无穷大;分子的最高次方等于分母的最高次方,极限等于最高次方前面的系数比;分子的最高次方小于分母的最高次方,极限为零。以后遇到这种情况直接使用结论即可。
会求函数的极限后,后面的微积分部分使用的仍然是这种思路,用极限得出定积分的概念,而求不规则***形的面积,旋转体的体积,平面曲线的弧长,变力沿直线所作的功都要用定积分来解决。又由微积分基本定理将求定积分转化成用不定积分来计算,这样几何、物理、经济等各个领域的许多问题都可以用定积分予以解决。
作者单位:
山西省农业机械化学校