问题

如何理解当x趋于0时 sin(xsin1/x)/(xsin1/x)的极限不存在?

回答
我们来好好聊聊当 $x$ 趋于 0 时,$frac{sin(xsinfrac{1}{x})}{xsinfrac{1}{x}}$ 这个表达式的极限为什么不存在。这确实是一个挺有意思的问题,它的“罪魁祸首”在于那个 $sinfrac{1}{x}$。

首先,我们得明白极限是什么意思。当一个变量(这里是 $x$)无限接近某个值(这里是 0)时,我们想知道对应的函数值会发生什么。我们关注的是“趋势”,而不是在那个点上的确切值。

为了方便讨论,我们设 $y = xsinfrac{1}{x}$。那么原式就变成了 $frac{sin(y)}{y}$。

我们知道一个非常重要的极限:当一个变量(我们通常用 $u$ 来表示)趋于 0 时,$frac{sin(u)}{u}$ 的极限是 1。

所以,如果我们的 $y = xsinfrac{1}{x}$ 这个“变量”能够稳定地趋于 0,并且以一种“好”的方式(也就是说,它不是恒为 0 或者以一种非常奇怪的方式震荡着接近 0),那么原式 $frac{sin(y)}{y}$ 的极限就会是 1。

问题出在哪里呢?就出在 $y = xsinfrac{1}{x}$ 这个表达式本身。我们来分析一下当 $x$ 趋于 0 时,它有什么特点。

1. $x$ 趋于 0 的行为:

当 $x$ 趋于 0 时,我们知道 $x$ 本身会越来越小,越来越接近 0。

2. $sinfrac{1}{x}$ 的行为:

这才是关键所在。当 $x$ 趋于 0 时,$frac{1}{x}$ 这个值会变得非常非常大(或者非常非常小,如果我们考虑负数 $x$)。

而 $sin$ 函数的特点是,它的值总是在 1 和 1 之间振荡。无论 $frac{1}{x}$ 有多大,$sinfrac{1}{x}$ 的值永远就乖乖地待在 [1, 1] 这个区间里。

更重要的是,当 $x$ 越来越接近 0 时,$frac{1}{x}$ 的变化速度非常快。这意味着 $sinfrac{1}{x}$ 的值会在 1 和 1 之间高速振荡。

我们可以找到一些特定的 $x$ 值,使得 $frac{1}{x}$ 成为 $sin$ 函数的零点或者达到最大值/最小值。

比如,当 $frac{1}{x} = npi$ (n 为整数) 时,$sinfrac{1}{x} = 0$。这意味着 $x = frac{1}{npi}$。当 $n o infty$ 时,$x o 0$。
当 $frac{1}{x} = frac{pi}{2} + 2kpi$ (k 为整数) 时,$sinfrac{1}{x} = 1$。这意味着 $x = frac{1}{frac{pi}{2} + 2kpi}$。当 $k o infty$ 时,$x o 0$。
当 $frac{1}{x} = frac{3pi}{2} + 2mpi$ (m 为整数) 时,$sinfrac{1}{x} = 1$。这意味着 $x = frac{1}{frac{3pi}{2} + 2mpi}$。当 $m o infty$ 时,$x o 0$。

3. 综合看 $y = xsinfrac{1}{x}$:

现在我们把这两部分结合起来看 $y = xsinfrac{1}{x}$。

一方面,$x$ 在不断地趋向于 0。
另一方面,$sinfrac{1}{x}$ 在 [1, 1] 之间振荡。

当 $x$ 趋于 0 时,我们乘以 $sinfrac{1}{x}$ 这个在 [1, 1] 之间振荡的因子。结果会怎样呢?

我们知道,即使 $sinfrac{1}{x}$ 怎么振荡,由于它被一个趋于 0 的 $x$ 乘着,根据夹逼定理,当 $x o 0$ 时,$xsinfrac{1}{x}$ 的极限是 0。因为我们有 $|x| le xsinfrac{1}{x} le |x|$,而当 $x o 0$ 时,$|x| o 0$ 且 $|x| o 0$,所以根据夹逼定理,$xsinfrac{1}{x} o 0$。

那么问题来了,虽然 $y = xsinfrac{1}{x}$ 这个表达式的极限是 0,但是它是怎么趋近于 0 的呢?

刚才我们看到,存在一系列的 $x_n = frac{1}{npi}$,当 $n o infty$ 时,$x_n o 0$。对于这些 $x_n$,我们有:
$y_n = x_n sinfrac{1}{x_n} = frac{1}{npi} sin(npi) = frac{1}{npi} cdot 0 = 0$。
所以,当 $x$ 通过这些点趋近于 0 时,$y$ 的值是 0。

但是,还存在另一系列的点,比如 $x'_n = frac{1}{frac{pi}{2} + 2npi}$。当 $n o infty$ 时,$x'_n o 0$。对于这些 $x'_n$,我们有:
$y'_n = x'_n sinfrac{1}{x'_n} = frac{1}{frac{pi}{2} + 2npi} sin(frac{pi}{2} + 2npi) = frac{1}{frac{pi}{2} + 2npi} cdot 1 = frac{1}{frac{pi}{2} + 2npi}$。
当 $n o infty$ 时,$y'_n o 0$。

并且还有 $x''_n = frac{1}{frac{3pi}{2} + 2npi}$。当 $n o infty$ 时,$x''_n o 0$。对于这些 $x''_n$,我们有:
$y''_n = x''_n sinfrac{1}{x''_n} = frac{1}{frac{3pi}{2} + 2npi} sin(frac{3pi}{2} + 2npi) = frac{1}{frac{3pi}{2} + 2npi} cdot (1) = frac{1}{frac{3pi}{2} + 2npi}$。
当 $n o infty$ 时,$y''_n o 0$。

关键在于:虽然 $y$ 的极限是 0,但它并没有以一种单一的、有规律的方式趋近于 0。它是在 0 附近来回“跳跃”的。

为什么这会毁掉我们的极限?

我们原本的希望是,当 $x o 0$ 时,设 $y = xsinfrac{1}{x}$。因为我们知道 $lim_{u o 0} frac{sin u}{u} = 1$,所以我们想直接套用这个性质,认为当 $y o 0$ 时,$frac{sin y}{y} o 1$。

但是,这个“套用”成立的前提是 $y$ 趋近于 0 的过程必须是收敛的,也就是说,无论 $x$ 通过什么路径趋近于 0,只要 $x o 0$,那么 $y$ 就必须以同一种方式趋近于 0。

而我们的 $y = xsinfrac{1}{x}$ 并没有这样做。它在 0 附近以一种非常“混乱”的方式震荡着,虽然它整体上确实朝着 0 收敛。

更具体地说,当我们计算 $lim_{x o 0} frac{sin(xsinfrac{1}{x})}{xsinfrac{1}{x}}$ 时,我们是把整个表达式 $xsinfrac{1}{x}$ 作为一个整体来代入 $sin(cdot)/cdot$ 的形式中。

想象一下,当 $x$ 非常非常接近 0 的时候:
情况一: $x$ 的值非常小,而 $sinfrac{1}{x}$ 的值也恰好非常小(但不是零)。例如,当 $frac{1}{x}$ 非常接近某个大的偶数倍的 $pi$ 时,$sinfrac{1}{x}$ 就会非常接近 0。
在这种情况下,$y = xsinfrac{1}{x}$ 会是一个比 $x$ 更小的数。例如,如果 $sinfrac{1}{x}$ 是 $10^{5}$ 级别的,那么 $y$ 大概就是 $10^{5} imes x$ 的量级。 此时 $frac{sin y}{y}$ 就会接近 1。

情况二: $x$ 的值非常小,而 $sinfrac{1}{x}$ 的值却接近 1 或者 1。例如,当 $frac{1}{x}$ 非常接近 $frac{pi}{2}$ 或者 $frac{3pi}{2}$ 的时候。
在这种情况下,$y = xsinfrac{1}{x}$ 的值就和 $x$ 本身的值非常接近了(因为 $sinfrac{1}{x}$ 是 1 或 1)。
这时,表达式变成了 $frac{sin(x cdot 1)}{x cdot 1} = frac{sin x}{x}$ 或者 $frac{sin(x cdot (1))}{x cdot (1)} = frac{sin(x)}{x} = frac{sin x}{x} = frac{sin x}{x}$。
当 $x o 0$ 时, $frac{sin x}{x}$ 的极限是 1。

等等,我好像说到极限是 1 了?哪出错了?

我刚才描述的是 $y$ 的值跟 $x$ 本身的大小关系,这有助于理解 $y$ 的行为,但我们真正需要的是 $y$ 的具体值。

问题的核心是,存在着不同的 $x$ 的序列,它们都趋向于 0,但是对应的 $y = xsinfrac{1}{x}$ 趋向于 0 的方式是不同的。

我们之前找到的那个让 $sinfrac{1}{x}=0$ 的点序列 $x_n = frac{1}{npi}$ 非常关键。对于这些 $x_n$,我们有 $y_n = x_nsinfrac{1}{x_n} = frac{1}{npi} cdot 0 = 0$。
那么,原式变成了 $frac{sin(0)}{0}$。这里遇到了不定形式 0/0!

然而,我们知道 $lim_{u o 0} frac{sin u}{u} = 1$ 的前提是 $u$ 不是恒等于 0。如果 $u$ 是恒等于 0 的,那么 $frac{sin u}{u}$ 是没有意义的。

在我们的情况里,$y = xsinfrac{1}{x}$ 并非恒等于 0,它在 0 附近振荡。
但问题在于,当 $x$ 通过 $x_n = frac{1}{npi}$ 这些点趋近于 0 时,作为分子和分母的 $y = xsinfrac{1}{x}$ 整个表达式,就等于 0 了。

所以,我们不能直接把 $frac{sin(y)}{y}$ 的极限看作 1,除非 $y$ 是一个非零的、趋于 0 的量。

更严谨地说:

我们想要证明极限不存在,就需要找到至少两个不同的 $x$ 的序列,它们都趋于 0,但函数值趋于不同的值(或者一个存在另一个不存在)。

令 $f(x) = frac{sin(xsinfrac{1}{x})}{xsinfrac{1}{x}}$。

考虑序列 $x_n = frac{1}{npi}$,当 $n o infty$ 时,$x_n o 0$。
对于这个序列,我们有 $y_n = x_n sinfrac{1}{x_n} = frac{1}{npi} sin(npi) = 0$。
所以,$f(x_n) = frac{sin(0)}{0}$。这里直接出现 0/0,这表明我们不能直接套用 $frac{sin u}{u} o 1$ 的结论,因为这里的 $y_n$ 是恒等于 0 的。

但是,这还不能直接说明极限不存在。我们还需要考虑其他情况。

考虑序列 $x'_n = frac{1}{frac{pi}{2} + 2npi}$,当 $n o infty$ 时,$x'_n o 0$。
对于这个序列,我们有 $y'_n = x'_n sinfrac{1}{x'_n} = frac{1}{frac{pi}{2} + 2npi} sin(frac{pi}{2} + 2npi) = frac{1}{frac{pi}{2} + 2npi} cdot 1 = frac{1}{frac{pi}{2} + 2npi}$。
当 $n o infty$ 时,$y'_n o 0$。
此时,$f(x'_n) = frac{sin(y'_n)}{y'_n} = frac{sin(frac{1}{frac{pi}{2} + 2npi})}{frac{1}{frac{pi}{2} + 2npi}}$。
由于 $y'_n o 0$,且 $y'_n eq 0$,我们可以使用 $lim_{u o 0} frac{sin u}{u} = 1$ 的结论。
所以,$lim_{n o infty} f(x'_n) = 1$。

关键的区别在于:

对于序列 $x_n = frac{1}{npi}$,我们得到的 $y_n$ 是 0。
对于序列 $x'_n = frac{1}{frac{pi}{2} + 2npi}$,我们得到的 $y'_n$ 是一个 非零的、趋于 0 的数。

当我们计算 $frac{sin(y)}{y}$ 的极限时,如果 $y$ 能够取到 0 这个值(即使只是通过某个序列),那么这个表达式就在这些点上是未定义的。

更深层的原因是,极限存在要求函数值必须“稳定地”趋向于某个值,而不是在极限点附近不断地取到不同的值或者未定义。

虽然 $y = xsinfrac{1}{x}$ 的整体极限是 0,但它在 0 附近的振荡导致了问题的出现。想象一下,当 $x$ 趋于 0 时,你观察 $y$ 的值。有时候,$y$ 恰好等于 0(比如通过 $x_n$ 序列)。而有时候,$y$ 是一个非常非常小的非零值(比如通过 $x'_n$ 序列)。

当 $y$ 是 0 时,$frac{sin y}{y}$ 是未定义的。虽然我们可以通过取极限来绕过这一点(例如我们前面说 $frac{sin x}{x} o 1$),但问题在于,“分母等于 0”这个事实本身就使得表达式在这些点上没有意义。

极限讨论的是函数“接近”某个值时的行为。如果函数在趋近极限点的过程中,在某些点上是未定义的,那么就可能影响极限的存在性。

在 $frac{sin(y)}{y}$ 这个表达式中,$y$ 作为分母,如果 $y=0$,表达式就没有意义。而我们发现,当 $x$ 趋于 0 时,存在 $x$ 的序列使得 $y = xsinfrac{1}{x}$ 等于 0。

总结一下为什么极限不存在:

1. 我们将表达式转化为 $frac{sin(y)}{y}$ 的形式,其中 $y = xsinfrac{1}{x}$。
2. 我们知道 $lim_{u o 0} frac{sin u}{u} = 1$ 的前提是 $u$ 是一个趋于 0 的非零量,并且是以一种收敛的方式。
3. 虽然我们证明了当 $x o 0$ 时,$y = xsinfrac{1}{x} o 0$,但 $y$ 的趋近方式非常特殊:它在 0 附近高速振荡。
4. 更重要的是,存在这样的 $x$ 值序列(例如 $x_n = frac{1}{npi}$),当 $x$ 沿着这些序列趋于 0 时,$y$ 的值恰好恒等于 0。
5. 当 $y=0$ 时,原表达式 $frac{sin(y)}{y}$ 的分母为 0,在这些点上表达式是未定义的。
6. 由于存在 $x$ 的序列,使得函数在这些点上是未定义的(或者说,$y$ 本身在这些点上是 0,导致了表达式形式上的未定义),而极限要求函数在趋近极限点的“附近”都有定义并趋于某个值,因此,该极限不存在。

可以类比一下:如果你问“当 $x$ 趋于 0 时,$x/x$ 的极限是什么?”,答案是极限是 1,因为 $x/x$ 在 $x eq 0$ 时都等于 1。
但是,如果我们问“当 $x$ 趋于 0 时,$frac{sin(x^2)}{x^2}$ 的极限是什么?”,那答案是 1。因为即使 $x=0$ 时,$x^2=0$,但 $sin(x^2)/x^2$ 在 $x eq 0$ 时,分母 $x^2$ 也不是 0。

而我们这里的 $frac{sin(xsinfrac{1}{x})}{xsinfrac{1}{x}}$,那个 $y = xsinfrac{1}{x}$ 的行为就太“捣乱”了。它虽然整体趋于 0,但它自己会等于 0,这使得整个表达式在这些情况下变成了未定义的形式,从而导致极限不存在。

希望这样讲能更清楚一些!

网友意见

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作业写完了,先说说这个题。其实我也没什么可说的,建议参阅pioneer回答下苍蓝的巫女与sputnic1的评论,他们说的挺不错的。

我们再聊聊题主。


他的回复我感觉其实没什么问题,我解释一下就行了,只不过拉黑我确实在我意料之外。难道你从小到大没有遇到过无聊的题目吗。。。。就算这个问题确实超级有意义,就凭着我说无聊就拉黑我,这算什么?

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