上册 · 苏德矿《微积分》第三版

第一章 函数与极限

教材 p.1–73。极限是整个微积分的地基,这一章决定你后面是「会算」还是「会用」。

已学完数列极限 函数极限 无穷小 连续性 间断点

本章结构(对应教材)#

节内容页码状态
§1函数(函数概念、初等函数、经济函数)3已学
§2数列极限25已学
§3函数极限(含两个重要极限、无穷小比较)33已学
§4函数的连续性(间断点分类、闭区间性质)55已学
—第一章综合题72—

说明:本页按考点组织,不按教材节序。做题时用上面的页码回教材找原文,用本页的标签判断哪里该重点看。

本章在考什么#

极限是每年必考的第一道大题,也是最容易拉开差距的地方:会做的人 30 秒出答案,不会的人写满一页还得不到分。

题型常见位置分值频率
求极限(含未定式)选择、填空、计算第一题8–20 分必考
无穷小阶的比较选择、填空3–5 分高频
间断点判定与分类选择、计算5–10 分高频
分段函数在分界点的连续性计算5–8 分高频
闭区间连续函数性质(证明)证明题5–8 分中频

判断依据:本章内容几乎没有孤立考点,它和导数定义、定积分定义、级数收敛都直接相连。极限算不快,后面全章都会被拖慢。

知识框架#

函数
├─ 三要素:定义域、对应法则、值域
├─ 复合 / 反函数 / 分段函数
├─ 初等函数:幂、指数、对数、三角、反三角
└─ 性质:奇偶、单调、周期、有界

极限
├─ 数列极限:ε-N
├─ 函数极限:ε-δ(x→x₀)、ε-X(x→∞)
├─ 左右极限:极限存在 ⟺ 左右极限存在且相等
├─ 性质:唯一性、局部有界性、保号性
├─ 存在准则:夹逼准则、单调有界准则
└─ 两个重要极限

无穷小与无穷大
├─ 定义:lim α = 0;lim β = ∞
├─ 关系:无穷大的倒数是无穷小(反之需加「非零」)
├─ 比较:高阶、同阶、等价、k 阶
└─ 等价替换:乘除可用,加减慎用

连续
├─ 定义:lim f(x) = f(x₀)
├─ 间断点:第一类(可去、跳跃)/ 第二类(无穷、振荡)
└─ 闭区间性质:有界、最值、介值、零点

核心定义与定理#

函数极限的 ε-δ 定义

设函数 f(x) 在点 x0 的某去心邻域内有定义。若对任意给定的 ε>0,总存在 δ>0,使得当 0<|x−x0|<δ 时,恒有

|f(x)−A|<ε,

则称 A 为 f(x) 当 x→x0 时的极限,记作 limx→x0f(x)=A。

›提示这个定义在考试里怎么用

直接考 ε-δ 证明的学校不多,但它会变形出现:证明极限不存在(找两条路径或两个子列,得到不同极限)、证明无界、以及判断题里「δ 依赖于 ε」这类概念辨析。真正要背的是量词顺序:先 ε 后 δ。

极限存在的充要条件

limx→x0f(x)=A⇔limx→x0−f(x)=limx→x0+f(x)=A.

这是处理分段函数分界点、含绝对值、含 e1/x 或 arctan1x 的题目的第一反应。

连续的定义

f(x) 在 x0 处连续,当且仅当同时满足三条:

  1. f(x0) 有定义;
  2. limx→x0f(x) 存在;
  3. limx→x0f(x)=f(x0)。

等价说法:limΔx→0Δy=0。三条缺一不可,这也是判断间断点的三条线索。

两个存在准则

闭区间上连续函数的四条性质

设 f∈C[a,b],则:

性质结论典型用途
有界性f 在 [a,b] 上有界说明分母不为零、估计
最值性必取到最大值与最小值最值应用题的存在性
介值性任意介于 m,M 之间的值都能取到证明方程有根
零点定理f(a)f(b)<0⇒∃ξ∈(a,b),f(ξ)=0根的存根性证明
★重难点零点定理的使用套路

证明「方程有且仅有一个根」= 零点定理证存在 + 单调性证唯一。两步都要写全,只写存在会扣分。区间端点是否取到不影响结论,但要注意函数在闭区间上连续这个前提,开区间要说明延拓。

公式与结论速查#

等价无穷小(x→0)

无穷小等价于无穷小等价于
sinxxln(1+x)x
tanxxex−1x
arcsinxxax−1xlna
arctanxx(1+x)α−1αx
1−cosxx22x−sinxx36
tanx−xx33x−ln(1+x)x22

两个重要极限与 1∞ 型公式

limx→0sinxx=1,limx→∞(1+1x)x=e,limx→0(1+x)1x=e.

对 1∞ 型(u→1,v→∞):

limuv=exp(limv(u−1)).
◆方法这个公式为什么成立

把 uv 写成 evlnu,再用 lnu=ln(1+(u−1))∼u−1。所以本质是等价无穷小 + 复合,忘了公式可以现场推,比硬背安全。

重难点#

★重难点等价无穷小只能在乘除中整体替换

加减法中直接替换会丢掉主项。典型错例:limx→0tanx−sinxx3,若写成 x−xx3=0 就错了——两项同阶相消,真正的差是 x3 量级(正确答案 12)。

正确做法:先合并成乘积(提公因式、通分、有理化),再替换;或者用泰勒展开到足够阶。

★重难点1∞ 型:先写成 e 的指数,再算指数上的极限

形如 lim(x+1x−1)x、lim(1+sinx)1/x 都是这一类。核心是把底数写成 1+α(x),其中 α→0,则原式 =exp(limln(1+α)α⋅αv)=exp(limαv)。

不要先算底数极限得 1 再写 1∞=1——这是最经典的错误。

★重难点洛必达法则的三个前提,缺一不可
  1. 必须是 00 或 ∞∞;
  2. 分子分母在去心邻域内可导,且分母导数不为零;
  3. limf′g′ 存在(或为 ∞)。

第三条最容易被忽略:若 limf′g′ 不存在,不能反推原极限不存在。例如 limx→∞x+sinxx,求导后 1+cosx1 无极限,但原极限等于 1。

★重难点数列极限不能直接洛必达

洛必达要求函数在区间上可导,n 是离散变量。两种正规处理:

  • 转化为函数极限:先求 limx→+∞f(x),再用海涅定理回到数列;
  • 直接用夹逼或单调有界。

考试中「limn→∞ 却对 n 求导」是典型的逻辑错误,即使答案对也会扣分。

★重难点分段点处的一切判断都要左右分算

极限、连续、可导、单调,在分界点 x0 处都必须分别看 x→x0− 与 x→x0+。含 |x−a|、x2、e1/x、arctan1x 的式子,分界点几乎必是考点。

易错点#

⚠易错点用 limsinxx=1 时忘了 x→0

这个极限只在 x→0 时成立,且 x 必须是弧度。limx→∞sinxx=0(有界量除以无穷大),两者完全不同。

⚠易错点无穷小 × 有界 = 无穷小,但无穷大 × 有界不一定

limx→0xsin1x=0 成立(x 是无穷小,sin1x 有界)。

但 limx→∞xsin1x=1,不能因为「sin 有界」就判成无穷大或不存在。判断前先看无穷小/无穷大的阶。

⚠易错点0·∞ 型不能直接洛必达

洛必达只认 00 与 ∞∞。遇到 0⋅∞,先化为 01/∞ 或 ∞1/0,再判断。同理 ∞−∞ 要通分、有理化或提公因式,1∞、00、∞0 要取对数。

⚠易错点间断点分类:左右极限都存在才是第一类
  • 左右极限存在且相等,但不等于函数值(或函数无定义)→ 可去间断点;
  • 左右极限都存在但不相等 → 跳跃间断点;
  • 至少一侧极限不存在(趋于无穷或振荡)→ 第二类(无穷间断 / 振荡间断)。

把「跳跃」写成「可去」是最常见的失分点,判据是左右极限是否相等,不是函数值。

⚠易错点极限存在 ≠ 在该点连续

limx→0sinxx=1,但 sinxx 在 x=0 处无定义。极限只看「去心邻域」,连续还要看「函数值」。判断题常在这里设套。

⚠易错点忽略定义域直接化简

limx→1x2−1x−1=2 没错,但原函数在 x=1 无定义;而 limx→01+x−1−xx 这类题,先看根号内是否非负。化简会扩大定义域,可能把不该取的路径算进来。

典型例题#

✎例题例 1|等价无穷小:先合并,再替换

求 limx→01−cosxxsinx。

思路:分子、分母各自是「可直接替换」的单个因子,不必合并。

解:当 x→0 时,1−cosx∼x22,sinx∼x,故 xsinx∼x2。于是

limx→01−cosxxsinx=limx→0x2/2x2=12.

另一种写法(更稳妥,不依赖替换规则):

limx→01−cosxx2⋅xsinx=12⋅1=12.

点评:把待求式拆成「已知极限的乘积」,是避免替换出错的最可靠办法。

✎例题例 2|1∞ 型 + 泰勒:((1+x)1/x−e)/x

求 limx→0(1+x)1/x−ex。

思路:底数趋于 e,整体是 e−e=0 型,需要知道 (1+x)1/x 比 e 差多少——这是展开到一阶的信号。

解:写成指数形式

(1+x)1/x=exp(ln(1+x)x).

由 ln(1+x)=x−x22+o(x2),得 ln(1+x)x=1−x2+o(x)。于是

(1+x)1/x=e⋅e−x/2+o(x)=e(1−x2+o(x))=e−e2x+o(x).

所以

limx→0(1+x)1/x−ex=limx→0−e2x+o(x)x=−e2.

点评:凡是「f(x)−A 除以 x−x0」的形式,本质都是导数定义或泰勒一阶项。这里也可以直接用导数定义:设 g(x)=(1+x)1/x,所求即 g′(0)。

✎例题例 3|陷阱题:加减中替换会归零

求 limx→0tanx−sinxx3。

错误做法:tanx∼x,sinx∼x,分子 ∼x−x=0,得极限为 0。

错因:分子两项同阶,相减后主项抵消,剩下的低阶项才是主导,不能各自替换。

正确解:先提出公因子,化成乘积:

tanx−sinx=sinx(1cosx−1)=sinx⋅1−cosxcosx.

于是

limx→0tanx−sinxx3=limx→0sinxx⋅1−cosxx2⋅1cosx=1⋅12⋅1=12.

点评:判断能不能替换,看替换后主项是否被消掉。被消掉就必须展开到更高阶(tanx−x∼x33,x−sinx∼x36)。

✎例题例 4|夹逼准则

求 limn→∞(1n2+1+1n2+2+⋯+1n2+n)。

思路:n 项相加,每项结构相同但分母不同,没有统一公式——先放缩成同一个式子。

解:各项分母满足 n2+1≤n2+k≤n2+n,故

nn2+n≤Sn≤nn2+1.

而

limn→∞nn2+n=limn→∞11+1/n=1,limn→∞nn2+1=1.

由夹逼准则,Sn→1。

点评:夹逼的关键是找到同一个极限的两侧。分母最小取 1、最大取 n,就是把每一项夹在最大项与最小项之间。

✎例题例 5|零点定理 + 单调性:证明根存在且唯一

证明方程 x=cosx 在 (0,π2) 内有且仅有一个实根。

思路:「有且仅有一个」= 存在性(零点定理)+ 唯一性(单调性)。

解:令 f(x)=x−cosx,则 f 在 [0,π2] 上连续。

  • 存在性:f(0)=0−1=−1<0,f(π2)=π2−0=π2>0。由零点定理,存在 ξ∈(0,π2) 使 f(ξ)=0。
  • 唯一性:f′(x)=1+sinx>0 在 (0,π2) 内恒成立,故 f 严格单调递增,零点至多一个。

综上,方程在 (0,π2) 内有且仅有一个实根。

点评:这类题的分值几乎全在「唯一性」上。只写零点定理通常只得一半分。

自测清单#

做完下面五条再进入第 2 章:

本章题目#

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