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Michael Jackson

高数一_第一章_函数_极限_连续

2347 字
12 分钟
高数一_第一章_函数_极限_连续

考研数学复习资料:高等数学(一)#

章节:第一章 函数、极限与连续
适用对象:考研数学一/二/三
版本:v1.0
最后更新:2026-03-15


目录#


第一节 函数 (Functions)#

1.1 函数的概念与性质#

定义:设 xx 和 yy 是两个变量,DD 是一个给定的实数集。如果对于 DD 上的每一个 xx 值,按照一定的法则 ff,都有唯一确定的 yy 值与之对应,则称 yy 为 xx 的函数,记作 y=f(x)y=f(x)。其中 xx 为自变量,yy 为因变量,DD 为定义域。

函数的四大基本性质:

  1. 有界性 (Boundedness):

    • 若存在正数 MM,使得对于一切 x∈Dx \in D,都有 ∣f(x)∣≤M|f(x)| \le M,则称 f(x)f(x) 在 DD 上有界。
    • 几何意义:图像夹在直线 y=My=M 和 y=−My=-M 之间。
  2. 单调性 (Monotonicity):

    • 单调递增:若对于区间 II 上任意两点 x1,x2x_1, x_2,当 x1<x2x_1 < x_2 时,恒有 f(x1)<f(x2)f(x_1) < f(x_2)。
    • 单调递减:若对于区间 II 上任意两点 x1,x2x_1, x_2,当 x1<x2x_1 < x_2 时,恒有 f(x1)>f(x2)f(x_1) > f(x_2)。
  3. 奇偶性 (Parity):

    • 偶函数:f(−x)=f(x)f(-x) = f(x),图像关于 yy 轴对称。(例:x2,cos⁡x,∣x∣x^2, \cos x, |x|)
    • 奇函数:f(−x)=−f(x)f(-x) = -f(x),图像关于原点对称。(例:x3,sin⁡x,tan⁡xx^3, \sin x, \tan x)
    • 性质:奇+奇=奇,偶+偶=偶,奇×\times奇=偶,偶×\times偶=偶,奇×\times偶=奇。
  4. 周期性 (Periodicity):

    • 若存在非零常数 TT,使得对于定义域内的任意 xx,都有 f(x+T)=f(x)f(x+T) = f(x),则称 f(x)f(x) 为周期函数。
    • 常见的周期函数:sin⁡x,cos⁡x\sin x, \cos x (T=2πT=2\pi), tan⁡x\tan x (T=πT=\pi)。

1.2 反函数与复合函数#

  • 反函数:若函数 y=f(x)y=f(x) 在某区间上单调,则存在反函数 x=f−1(y)x=f^{-1}(y)。
    • 性质:y=f(x)y=f(x) 与 y=f−1(x)y=f^{-1}(x) 的图像关于直线 y=xy=x 对称。
  • 复合函数:设 y=f(u)y=f(u), u=g(x)u=g(x),且 Rg∩Df≠∅R_g \cap D_f \neq \emptyset,则 y=f[g(x)]y=f[g(x)] 称为复合函数。

1.3 初等函数#

由常数和基本初等函数(幂函数、指数函数、对数函数、三角函数、反三角函数)经过有限次四则运算和有限次复合步骤所构成,并可用一个式子表示的函数。


第二节 极限 (Limits)#

2.1 数列的极限#

定义:对于数列 {xn}\lbrace x_n \rbrace,若存在常数 AA,对于任意给定的正数 ε\varepsilon(无论它多么小),总存在正整数 NN,使得当 n>Nn > N 时,一切 xnx_n 都满足 ∣xn−A∣<ε|x_n - A| < \varepsilon,则称常数 AA 是数列 {xn}\lbrace x_n \rbrace 的极限,记作 lim⁡n→∞xn=A\lim_{n \to \infty} x_n = A。

2.2 函数的极限#

  1. 自变量趋于无穷大 (x→∞x \to \infty):
    • lim⁡x→∞f(x)=A  ⟺  ∀ε>0,∃X>0,当 ∣x∣>X 时,∣f(x)−A∣<ε\lim_{x \to \infty} f(x) = A \iff \forall \varepsilon > 0, \exists X > 0, \text{当 } |x| > X \text{ 时}, |f(x) - A| < \varepsilon。
  2. 自变量趋于有限值 (x→x0x \to x_0):
    • lim⁡x→x0f(x)=A  ⟺  ∀ε>0,∃δ>0,当 0<∣x−x0∣<δ 时,∣f(x)−A∣<ε\lim_{x \to x_0} f(x) = A \iff \forall \varepsilon > 0, \exists \delta > 0, \text{当 } 0 < |x - x_0| < \delta \text{ 时}, |f(x) - A| < \varepsilon。

左极限与右极限:

  • 左极限:lim⁡x→x0−f(x)=A\lim_{x \to x_0^-} f(x) = A
  • 右极限:lim⁡x→x0+f(x)=A\lim_{x \to x_0^+} f(x) = A
  • 定理:lim⁡x→x0f(x)=A  ⟺  lim⁡x→x0−f(x)=lim⁡x→x0+f(x)=A\lim_{x \to x_0} f(x) = A \iff \lim_{x \to x_0^-} f(x) = \lim_{x \to x_0^+} f(x) = A。

2.3 极限的性质与运算法则#

  • 唯一性:若极限存在,则唯一。
  • 有界性:若 lim⁡x→x0f(x)\lim_{x \to x_0} f(x) 存在,则 f(x)f(x) 在 x0x_0 的某去心邻域内有界。
  • 保号性:若 lim⁡x→x0f(x)=A>0\lim_{x \to x_0} f(x) = A > 0,则在 x0x_0 的某去心邻域内 f(x)>0f(x) > 0。

四则运算法则: 设 lim⁡f(x)=A,lim⁡g(x)=B\lim f(x) = A, \lim g(x) = B,则:

  1. lim⁡[f(x)±g(x)]=A±B\lim [f(x) \pm g(x)] = A \pm B
  2. lim⁡[f(x)⋅g(x)]=A⋅B\lim [f(x) \cdot g(x)] = A \cdot B
  3. lim⁡f(x)g(x)=AB(B≠0)\lim \frac{f(x)}{g(x)} = \frac{A}{B} \quad (B \neq 0)

2.4 两个重要极限#

  1. 第一重要极限(处理 00\frac{0}{0} 型三角函数极限): lim⁡x→0sin⁡xx=1\lim_{x \to 0} \frac{\sin x}{x} = 1 推广:lim⁡u→0sin⁡uu=1\lim_{u \to 0} \frac{\sin u}{u} = 1(uu 代表趋于 0 的任意表达式)

  2. 第二重要极限(处理 1∞1^\infty 型幂指函数极限): lim⁡x→∞(1+1x)x=e或lim⁡x→0(1+x)1x=e\lim_{x \to \infty} \left(1 + \frac{1}{x}\right)^x = e \quad \text{或} \quad \lim_{x \to 0} (1 + x)^{\frac{1}{x}} = e

2.5 无穷小与无穷大#

  • 无穷小:极限为 0 的变量。
  • 无穷小的比较:设 α,β\alpha, \beta 是同一过程中的无穷小 (lim⁡α=0,lim⁡β=0\lim \alpha = 0, \lim \beta = 0),且 α≠0\alpha \neq 0。
    • 若 lim⁡βα=0\lim \frac{\beta}{\alpha} = 0,称 β\beta 是比 α\alpha 高阶的无穷小,记作 β=o(α)\beta = o(\alpha)。
    • 若 lim⁡βα=C≠0\lim \frac{\beta}{\alpha} = C \neq 0,称 β\beta 与 α\alpha 是同阶无穷小。
    • 若 lim⁡βα=1\lim \frac{\beta}{\alpha} = 1,称 β\beta 与 α\alpha 是等价无穷小,记作 α∼β\alpha \sim \beta。

常用等价无穷小 (x→0x \to 0):

  • sin⁡x∼x\sin x \sim x
  • tan⁡x∼x\tan x \sim x
  • arcsin⁡x∼x\arcsin x \sim x
  • arctan⁡x∼x\arctan x \sim x
  • ex−1∼xe^x - 1 \sim x
  • ln⁡(1+x)∼x\ln(1+x) \sim x
  • 1−cos⁡x∼12x21 - \cos x \sim \frac{1}{2}x^2
  • (1+x)α−1∼αx(1+x)^\alpha - 1 \sim \alpha x

第三节 连续 (Continuity)#

3.1 函数的连续性#

定义:若 lim⁡x→x0f(x)=f(x0)\lim_{x \to x_0} f(x) = f(x_0),则称 f(x)f(x) 在点 x0x_0 处连续。

  • 充要条件:lim⁡x→x0−f(x)=lim⁡x→x0+f(x)=f(x0)\lim_{x \to x_0^-} f(x) = \lim_{x \to x_0^+} f(x) = f(x_0)。

3.2 函数的间断点#

若 f(x)f(x) 在 x0x_0 处不连续,则 x0x_0 为间断点。

  1. 第一类间断点(左右极限均存在):
    • 可去间断点:lim⁡x→x0−f(x)=lim⁡x→x0+f(x)≠f(x0)\lim_{x \to x_0^-} f(x) = \lim_{x \to x_0^+} f(x) \neq f(x_0) (极限存在但不等于函数值)。
    • 跳跃间断点:lim⁡x→x0−f(x)≠lim⁡x→x0+f(x)\lim_{x \to x_0^-} f(x) \neq \lim_{x \to x_0^+} f(x)。
  2. 第二类间断点(左右极限至少有一个不存在):
    • 无穷间断点:极限为无穷大。
    • 振荡间断点:极限在某范围内振荡(如 y=sin⁡1xy=\sin \frac{1}{x} 在 x→0x \to 0 时)。

3.3 闭区间上连续函数的性质#

若 f(x)∈C[a,b]f(x) \in C[a, b](在闭区间上连续),则有:

  1. 有界性定理:f(x)f(x) 在 [a,b][a, b] 上有界。
  2. 最值定理:f(x)f(x) 在 [a,b][a, b] 上必有最大值和最小值。
  3. 介值定理:若 m≤μ≤Mm \le \mu \le M,则 ∃ξ∈[a,b]\exists \xi \in [a, b],使得 f(ξ)=μf(\xi) = \mu。
  4. 零点定理:若 f(a)⋅f(b)<0f(a) \cdot f(b) < 0,则 ∃ξ∈(a,b)\exists \xi \in (a, b),使得 f(ξ)=0f(\xi) = 0。

第四节 解题方法与技巧 (Methods & Techniques)#

4.1 求极限的常用方法#

极限计算思维导图:

graph TD Start["开始: 拿到极限题目"] --> CheckType{"判断类型"} CheckType -->|"x -> ∞"| Rule1["抓大头/提取最高次幂"] CheckType -->|"x -> x0"| IsContinuous{"是否连续?"} IsContinuous -->|"是"| Subst["直接代入"] IsContinuous -->|"否 (0/0, ∞/∞, 1^∞)"| Indeterminate["不定式处理"] Indeterminate -->|"0/0, ∞/∞"| LHopital["洛必达法则 / 泰勒公式"] Indeterminate -->|"1^∞"| ExpForm["改写为 e^(lim(u-1)v)"] Indeterminate -->|"等价代换"| Equiv["乘除因子使用等价无穷小"] Rule1 --> Solve["计算结果"] Subst --> Solve LHopital --> Solve ExpForm --> Solve Equiv --> Solve
  1. 代入法:对于连续函数,直接代入极限值。
  2. 抓大头:当 x→∞x \to \infty 时,分子分母同除以最高次幂(针对有理分式)。
    • 例:lim⁡x→∞3x2+12x2−x=32\lim_{x \to \infty} \frac{3x^2+1}{2x^2-x} = \frac{3}{2}
  3. 等价无穷小代换:
    • 适用场景:乘除因子可以换,加减项需谨慎(只有当 α∼α′,β∼β′\alpha \sim \alpha', \beta \sim \beta' 且 lim⁡α′β′≠1\lim \frac{\alpha'}{\beta'} \neq 1 时通常可换,但建议仅在乘除中使用)。
    • 例:lim⁡x→0sin⁡3xtan⁡5x=lim⁡x→03x5x=35\lim_{x \to 0} \frac{\sin 3x}{\tan 5x} = \lim_{x \to 0} \frac{3x}{5x} = \frac{3}{5}。
  4. 洛必达法则 (L’Hopital’s Rule):
    • 适用条件:00\frac{0}{0} 或 ∞∞\frac{\infty}{\infty} 型;导数极限存在。
    • lim⁡x→x0f(x)g(x)=lim⁡x→x0f′(x)g′(x)\lim_{x \to x_0} \frac{f(x)}{g(x)} = \lim_{x \to x_0} \frac{f'(x)}{g'(x)}。
  5. 泰勒公式 (Taylor Series):
    • 处理复杂的 00\frac{0}{0} 型极限,比洛必达更通用。
    • 记住常用展开式(如 ex,sin⁡x,cos⁡x,ln⁡(1+x)e^x, \sin x, \cos x, \ln(1+x))。
  6. 幂指函数处理:
    • u(x)v(x)=ev(x)ln⁡u(x)u(x)^{v(x)} = e^{v(x) \ln u(x)}。
    • 对于 1∞1^\infty 型:lim⁡u(x)v(x)=elim⁡[u(x)−1]v(x)\lim u(x)^{v(x)} = e^{\lim [u(x)-1]v(x)}。

4.2 判断间断点类型的步骤#

  1. 求出函数的定义域,找出无定义的点或分段函数的分界点作为可疑点。
  2. 计算该点处的左极限和右极限。
  3. 根据左右极限的存在情况判断:
    • 都存在且相等 →\to 连续(若等于函数值)或 可去间断点(若不等于函数值)。
    • 都存在但不相等 →\to 跳跃间断点。
    • 至少一个不存在 →\to 第二类间断点。

第五节 易错点与注意事项 (Pitfalls)#

  1. 极限存在的条件:
    • lim⁡x→x0f(x)\lim_{x \to x_0} f(x) 存在必须要求左右极限都存在且相等。做题时(特别是分段函数、绝对值函数、e1/xe^{1/x} 型)要自觉讨论左右极限。
  2. 洛必达法则的陷阱:
    • 只能用于 00\frac{0}{0} 或 ∞∞\frac{\infty}{\infty}。
    • 求导后极限必须存在。若 lim⁡f′g′\lim \frac{f'}{g'} 不存在,不代表原极限不存在,此时洛必达失效,需改用夹逼定理或定义法。
  3. 等价无穷小代换的误区:
    • 切记:“代换只能在乘除中进行,加减中一般不能代换”。
    • 错误示例:求 lim⁡x→0tan⁡x−sin⁡xx3\lim_{x \to 0} \frac{\tan x - \sin x}{x^3}。
      • 错解:tan⁡x∼x,sin⁡x∼x  ⟹  lim⁡x−xx3=0\tan x \sim x, \sin x \sim x \implies \lim \frac{x-x}{x^3} = 0。
      • 正解:tan⁡x−sin⁡x=tan⁡x(1−cos⁡x)∼x⋅12x2=12x3\tan x - \sin x = \tan x (1 - \cos x) \sim x \cdot \frac{1}{2}x^2 = \frac{1}{2}x^3,故极限为 12\frac{1}{2}。
  4. 1∞1^\infty 型极限:
    • 不要直接把底数极限算出来再乘指数极限,必须使用 elim⁡(u−1)ve^{\lim (u-1)v} 公式。

附录:典型例题#

例 1:求极限 lim⁡x→0ex−1−xarcsin⁡(x2)\lim_{x \to 0} \frac{e^x - 1 - x}{\arcsin(x^2)}。

解析: 此为 00\frac{0}{0} 型。 分母:arcsin⁡(x2)∼x2\arcsin(x^2) \sim x^2。 分子:使用泰勒公式,ex=1+x+x22+o(x2)e^x = 1 + x + \frac{x^2}{2} + o(x^2)。 lim⁡x→0(1+x+x22+o(x2))−1−xx2=lim⁡x→012x2x2=12\lim_{x \to 0} \frac{(1 + x + \frac{x^2}{2} + o(x^2)) - 1 - x}{x^2} = \lim_{x \to 0} \frac{\frac{1}{2}x^2}{x^2} = \frac{1}{2}

例 2:判断 f(x)=xsin⁡xf(x) = \frac{x}{\sin x} 在 x=0x=0 处的间断点类型。

解析: x=0x=0 处函数无定义,为间断点。 计算极限:lim⁡x→0f(x)=lim⁡x→0xsin⁡x=1\lim_{x \to 0} f(x) = \lim_{x \to 0} \frac{x}{\sin x} = 1。 极限存在,但函数无定义,故 x=0x=0 是第一类可去间断点。 补充定义 f(0)=1f(0)=1 后,函数变为连续。


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穆哈麦提
发布于
2026-07-09
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