问题

如何解决这个函数极限的证明问题?

回答
好的,我们来深入探讨如何严谨地证明一个函数极限。证明极限的过程,尤其是在初学阶段,可能会显得有些晦涩,但一旦掌握了核心思想和方法,就会豁然开朗。我们以一个常见的例子为例,来一步步剖析整个证明过程。

我们要证明的极限是:

$$ lim_{x o 2} (3x + 1) = 7 $$

这句话的意思是,当自变量 $x$ 的值无限地趋近于 2 时,函数 $f(x) = 3x + 1$ 的值会无限地趋近于 7。

核心思想:εδ 定义

证明函数极限的基石是 εδ 定义。它提供了一种量化的方法来描述“趋近”。

ε (epsilon):代表函数值 $f(x)$ 与极限值 $L$ 之间的“允许误差”。我们希望 $|f(x) L|$ 这个差值足够小。
δ (delta):代表自变量 $x$ 与趋近点 $a$ 之间的“允许误差”。我们希望 $|x a|$ 这个差值足够小。

εδ 定义的表述:

对于任意给定的 $epsilon > 0$,都存在一个 $delta > 0$,使得:

如果 $0 < |x a| < delta$,那么 $|f(x) L| < epsilon$。

$0 < |x a|$:这一部分很重要。它表示 $x$ 趋近于 $a$,但 $x$ 不等于 $a$。函数的极限与函数在这一点的值是否相等无关。
$|x a| < delta$:表示 $x$ 在 $a$ 的一个以 $delta$ 为半径的“邻域”内(但不包括 $a$ 本身)。
$|f(x) L| < epsilon$:表示 $f(x)$ 在 $L$ 的一个以 $epsilon$ 为半径的“邻域”内。

证明步骤:

证明的过程,本质上是反向推理。我们从希望达到的结果($|f(x) L| < epsilon$)出发,找到一个条件($|x a| < delta$),这个条件能够保证我们希望的结果成立。这个“找到”的过程,就是我们寻找 $delta$ 与 $epsilon$ 之间的关系。

第一步:分析我们想要证明的不等式(目标)

我们要证明的是 $|f(x) L| < epsilon$。
将我们的具体函数和极限值代入:

$$ |(3x + 1) 7| < epsilon $$

化简这个不等式:

$$ |3x 6| < epsilon $$

我们可以提取公因数 3:

$$ |3(x 2)| < epsilon $$

再利用绝对值的性质 $|ab| = |a||b|$:

$$ 3|x 2| < epsilon $$

现在,让我们看看我们需要找到的条件是什么。根据 εδ 定义,我们希望找到一个 $delta$,使得当 $0 < |x 2| < delta$ 时,上述不等式成立。

第二步:寻找 $delta$ 和 $epsilon$ 之间的关系(关键步骤)

我们从刚才化简得到的目标不等式 $3|x 2| < epsilon$ 出发。
如果我们想要这个不等式成立,那么 $|x 2|$ 的值必须满足一个条件。我们把 $epsilon$ 移到不等式的另一边,看看 $|x 2|$ 需要满足什么:

$$ |x 2| < frac{epsilon}{3} $$

注意,我们现在已经得到了 $|x 2|$ 的一个限制条件,这个限制条件是与 $epsilon$ 相关的。

第三步:构造 $delta$(“我们选择” $delta$)

根据 εδ 定义,我们需要找到一个 $delta > 0$,使得当 $0 < |x 2| < delta$ 时, $|f(x) L| < epsilon$ 成立。

我们在第二步中发现,如果 $|x 2| < frac{epsilon}{3}$,那么我们的目标 $|f(x) L| < epsilon$ 就能实现。
因此,我们可以选择 $delta$ 等于 $frac{epsilon}{3}$。
我们为什么可以这样选择?因为我们希望证明的是“对于任何 $epsilon > 0$,都存在一个 $delta > 0$”。我们找到了一个 $delta$ ($frac{epsilon}{3}$)确实是大于 0 的(因为 $epsilon > 0$),并且它能“锁定”住 $|f(x) L| < epsilon$ 这个结果。

所以,我们选择 $delta = frac{epsilon}{3}$。

第四步:正式写出证明(严谨表述)

现在,我们将前面所有的分析过程,按照 εδ 定义的要求,严谨地写出来。这是一个从“假设”到“结论”的演绎过程。

证明:

设 $epsilon$ 是任意给定的正数,即 $epsilon > 0$。
我们需要找到一个正数 $delta$,使得当 $0 < |x 2| < delta$ 时,有 $|(3x + 1) 7| < epsilon$。

我们选择 $delta = frac{epsilon}{3}$。
由于 $epsilon > 0$,所以 $delta > 0$。

现在,假设 $x$ 满足 $0 < |x 2| < delta$。
将我们选择的 $delta$ 代入不等式:

$$ 0 < |x 2| < frac{epsilon}{3} $$

现在,我们来考察 $|f(x) L|$:

$$ |(3x + 1) 7| $$

化简:

$$ |3x 6| $$

提取公因数 3:

$$ |3(x 2)| $$

利用绝对值的性质:

$$ 3|x 2| $$

由于我们假设了 $|x 2| < frac{epsilon}{3}$,我们将这个关系代入:

$$ 3|x 2| < 3 left(frac{epsilon}{3} ight) $$

化简右侧:

$$ 3|x 2| < epsilon $$

所以,我们证明了:

$$ |(3x + 1) 7| < epsilon $$

这正是我们希望达到的目标。

结论:

因为对于任意给定的 $epsilon > 0$,我们都能找到一个 $delta = frac{epsilon}{3} > 0$,使得当 $0 < |x 2| < delta$ 时,有 $|(3x + 1) 7| < epsilon$ 成立,

根据函数极限的 εδ 定义,我们可以得出结论:

$$ lim_{x o 2} (3x + 1) = 7 $$

总结一下证明的几个关键点:

1. 理解 εδ 定义: 这是证明的核心。要牢记它的表述和含义。
2. “逆向思考”找到 $delta$: 通常在草稿纸上,先从我们想要达到的结论 $|f(x) L| < epsilon$ 出发,化简它,然后看看 $|x a|$ 需要满足什么样的条件。这个条件通常会直接给出 $delta$ 的表达式(与 $epsilon$ 相关)。
3. “正向书写”进行证明: 一旦找到了 $delta$ 和 $epsilon$ 的关系,就要按照 εδ 定义的逻辑顺序,从“设任意 $epsilon > 0$”开始,然后“选择 $delta$”,接着“假设 $x$ 满足 $0 < |x a| < delta$”,最后通过一系列逻辑推导,得出 $|f(x) L| < epsilon$。
4. 注意 $0 < |x a|$: 证明中一定要包含这个条件,它强调了 $x$ 趋近但不等于 $a$。
5. 选择 $delta$ 的自由度: 找到的 $delta$ 并不一定是唯一的。如果 $delta_0$ 满足条件,那么任何小于 $delta_0$ 的正数也都能满足条件。我们通常选择一个最简单、最直接的。例如,如果我们在化简后得到了 $|x2| < frac{epsilon}{3}$ 并且 $|x2| < 1$,那么我们可以选择 $delta = min(frac{epsilon}{3}, 1)$,这样可以确保两个条件都满足。

一个稍微复杂点的例子,可以帮助巩固理解:

证明 $lim_{x o 1} (x^2 + 2) = 3$

1. 目标: $|(x^2 + 2) 3| < epsilon$
2. 化简: $|x^2 1| < epsilon$
3. 分解: $|(x 1)(x + 1)| < epsilon$
4. 关键: 我们需要 $|x 1|$ 的范围来约束 $|(x 1)(x + 1)|$。但这里有个 $|x+1|$ 项,它也依赖于 $x$。
5. 限制 $x$ 的范围: 为了让 $|x + 1|$ 变得“可控”,我们可以先给 $|x 1|$ 一个初步的限制。例如,我们限制 $|x 1| < 1$。
如果 $|x 1| < 1$,那么 $0 < x < 2$ (因为 $x o 1$)。
在这种情况下,$1 < x+1 < 3$。
那么 $|x + 1| < 3$。
6. 再次化简并找到 $delta$:
我们有 $|(x 1)(x + 1)| = |x 1| |x + 1|$.
如果我们同时满足 $|x 1| < 1$ 和 $|x 1| < frac{epsilon}{3}$ (这个 $frac{epsilon}{3}$ 是因为我们希望 $|x1| cdot |x+1| < epsilon$,而 $|x+1|$ 最大是 3,所以我们希望 $|x1| cdot 3 < epsilon$ )。
我们可以选择 $delta = min(1, frac{epsilon}{3})$。
如果 $|x 1| < delta$, 那么 $|x 1| < 1$ 并且 $|x 1| < frac{epsilon}{3}$。
由于 $|x 1| < 1$ 且 $x o 1$,所以 $|x+1| < 3$。
那么 $|(x 1)(x + 1)| = |x 1| |x + 1| < frac{epsilon}{3} cdot 3 = epsilon$。

7. 正式证明: (可以按照上面的思路写出严谨的证明。)

希望这个详细的解析能帮助你理解函数极限证明的思路和方法。多练习是掌握它的不二法门!

网友意见

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先说结论,这是不成立的。反例如下

考虑f为这样一个函数

即f在p+1/p(p为素数)上取1,其他地方都是0。

则,显然f没有极限(素数无穷)

然而

情形1, 为无理数, 始终为无理数,所以

情形2: 为有理数,假设 ,(t,k) = 1。

即k必须含有素因子p。所以只能有有限个n使得

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