高等数学第一章:极限与连续
第一章 极限与连续
目录
- 第01节 函数及其性质
- 第02节 函数的性质、复合函数与反函数
- 第03节 数列极限
- 第04节 单调有界原理
- 第05节 重要极限和幂指转换
- 第06节 等价无穷小、四则运算和洛必达法则
- 第07节 泰勒公式、左右极限和极限反问题
- 第08节 连续和间断
第01节 函数及其性质
1. 数集
(1)实数集 (2)正实数 (3)有理数 : (4)整数 (5)正整数 (6)自然数
2. 区间
(1) (2) (3) (4) —— 有界区间 (5) (6) (7) (8) (9) —— 实数域
3. 邻域
(1) 的邻域 ,其中 (2) 的去心邻域 ,其中
4. 映射
5. 函数
(1),称 为定义域 (2),称 为值域 (3)映射 (一对一、多对一)称为函数
(1)函数表达式
📝 例题 1
【题目】:判断函数 , 是否是相同的函数关系。
【解析】:
(1),,
(2),,
,映射法则不同,
与 不是相同函数。
📝 例题 2
【题目】:判断 , 是否是相同函数关系。
【解析】:
(1),,
(2),,
与 是相同的函数关系。
📝 例题 3
【题目】:下列选项中,函数 和 是相同的是( )
- (A) ,
- (B) ,
- (C) ,
- (D) ,
【解析】:
- (A) ;,定义域不同。
- (B) ;,定义域不同。
⚠️ [智能体A注]:原笔记处写作 ,严格应为 ;此处不影响”定义域不同”的结论。
- (C) ;,对应法则不同。
- (D) 。✓
故答案为 D。
6. 基本初等函数
(1)常值函数
(2)幂函数 ()
(3)指数函数 ()
运算性质:
(4)对数函数 ()
运算性质:
(5)三角函数
| 函数 | 定义域 | 值域 | 周期 | 奇偶性 |
|---|---|---|---|---|
| 奇函数 | ||||
| 偶函数 | ||||
| 奇函数 |
其余三角函数:
7. 反三角函数
| 函数 | 定义域 | 值域 | 奇偶性 |
|---|---|---|---|
| 奇函数 | |||
| 非奇非偶 | |||
| 奇函数 |
8. 特殊函数
(1)绝对值函数
(2)符号函数
(3)取整函数
,表示不超过 的最大整数。例如:,。
(4)狄利克雷函数
📝 例题 4
【题目】:已知 ,,则 ____,其定义域为 ____。
【解析】:由题设,
定义域满足:
📝 例题 5
【题目】:设 ,,且 ,求 及其定义域。
【解析】:由题设,
定义域需满足:
故定义域为 。
📝 例题 6
【题目】:已知 ,求 。
【解析】:令 ,则 ,代入原式得:
换回 ,与原式联立:
得:
📝 例题 7
【题目】:已知 ,求 。
【解析】:原式记为 ①:
令 ,则 ,代入得:
得:
第02节 函数的性质、复合函数与反函数
1. 函数的性质
函数的性质包括:奇偶性、单调性、有界性、周期性。
(1)奇偶性
定义域 关于原点对称。
- 若 ,则称 是奇函数(图像关于原点对称);
- 若 ,则称 是偶函数(图像关于 轴对称)。
判断奇偶性的两个步骤:① 考察定义域 是否关于原点对称;② 考察 与 之间的关系。
📝 例题 1
【题目】:判断 的奇偶性。
【解析】:由题设, 的定义域为
定义域关于原点对称。
故 是奇函数。
根式有理化:
奇偶性的常用结论:
- 奇 奇 奇,偶 偶 偶;奇 奇 偶,偶 偶 偶,奇 偶 奇。
- 若 是可导的奇函数,则 是偶函数;若 是可导的偶函数,则 是奇函数。
- 若 是奇函数,则 是偶函数;若 是偶函数,则 是奇函数。
📝 例题 2
【题目】:判断 的奇偶性。
【解析】:由题设, 的定义域为
故 为奇函数。
📝 例题 3
【题目】: 在 上是( )
- (A) 有界函数
- (B) 单调函数
- (C) 周期函数
- (D) 偶函数
【解析】:由题设, 的定义域为 ,关于原点对称。
故 是偶函数,答案选 D。
(2)单调性
当 时:
- ,称 单调增;
- ,称 单调不减。
的单调性可由 的符号判断; 的单调性与奇偶性也有关联。
(3)有界性
设 的定义域为 ,数集 。
- 若存在 ,使 ,称 在 上有上界 ;
- 若存在 ,使 ,称 在 上有下界 ;
- 若 ,称 在 上有界。
有界指既有上界又有下界。若 在 上连续,则 在 上有界。
以 为例:在 上有上界(),却没有下界( 时 )。
📝 例题 4
【题目】:判断函数 的有界性。
【解析】:由题设,
由于 ,故 ,从而
故 在 上有界()。
📝 例题 5
【题目】:设函数 ,则 是( )
- (A) 偶函数
- (B) 无界函数
- (C) 周期函数
- (D) 单调函数
【解析】:由题设,逐项考察:
- (A),不是偶函数;
- (B)当 时,,无界;✓
- (C) 不是周期函数;
- (D) 不是单调函数。
故答案选 B。
(4)周期性
- 若 (),称 是以 为周期的周期函数;
- 若存在最小正数 ,称 为最小正周期。
狄利克雷函数没有最小正周期。
📝 例题 6
【题目】:求下列周期函数的周期: (1) (2)
【解析】:
(1)
故 的最小正周期为 。
(2)
故 的最小正周期 。
求三角函数的周期时,优先考虑降幂。立方和差公式:
📝 例题 7
【题目】:当 时,,且 ,则在 内 是( ) A. 以 为周期的函数 B. 以 为周期的函数 C. 以 为周期的函数 D. 周期函数
【解析】:由题设,
故 的周期 ,答案选 B。
📝 例题 8
【题目】:函数 在 上是( ) A. 有界的偶函数 B. 无界的偶函数 C. 有界的奇函数 D. 无界的奇函数
【解析】:由题设,记 。
① ,故 为奇函数;
② ,故 为偶函数。
奇函数与偶函数之积为奇函数,故 为奇函数。
③ 为有界函数,。再证 有界:
是奇函数,只需讨论 的情形:
| 极大 |
又 ,,故 有界,从而 有界。
故答案选 C。
📝 例题 9
【题目】:设 是连续函数 的一个原函数,""表示”M 的充分必要条件”,则必有( )
(A) 是偶函数 是奇函数 (B) 是奇函数 是偶函数 (C) 是周期函数 是周期函数 (D) 是单调函数 是单调函数
【解析】:逐项用反例排除:
- (B)取 (偶函数),则 ,当 时不是奇函数,故(B)不成立;
- (C)取 (非周期函数),而 是周期函数,故(C)不成立;
- (D)取 (单调函数),则 不是单调函数,故(D)不成立;
- (A) 是偶函数 是奇函数成立(如 ,)。
故答案选 A。
2. 复合函数
设 ,,则 ,其中 称为中间变量。
复合的条件: 的值域与 的定义域有公共部分,即
📝 例题 10
【题目】:设 ,,求 。
【解析】:由题设,
① 当 (即 )时,;
② 当 (即 )时,;
③ 当 (即 )时,;
④ 当 (即 )时,。
综上所述,
📝 例题 11
【题目】:设函数 ,,令 ,,……,,求 。
【解析】:用归纳法证明 。
当 时,,结论成立。
假设当 时 ,则当 时,
故对一切正整数 ,有 。
3. 反函数
设 :;反过来 ,则 与 互为反函数。
第二种形式反函数 相当于把 与 互换: 的定义域与值域,恰好分别是 的值域与定义域。
📝 例题 12
【题目】:求函数 ()的反函数。
【解析】:由题设,当 时 ,故反函数的定义域为 。
由 ,两边取倒数并变形得 (因 )。
两式相加:
交换 与 ,得反函数
📝 例题 13
【题目】:设 ,写出 的反函数 的表达式。
【解析】:分段求反函数:
① 当 时,。由 得 ,即 ,故这一段反函数的定义域为 。由 解得 ,又 取负号,得 ,故
② 当 时,,则 ,且 ,故
③ 当 时,,则 ,且 ,故
综上所述,
第03节 数列极限
1. 数列极限的定义
(1)数列极限
💡 [旁注]:数列变化趋势(位置:原图”数列极限”四字右侧,红字)
📌 [知识点]:极限 = 有限、确定的数(不无限大)(位置:原图顶部,红蓝字)
- :,
- :, 不存在(振荡)
- :, 不存在(无穷大)
💡 [旁注]:振荡和无穷大时,极限不存在(位置:原图三个例子下方,红字)
💡 [旁注]:(位置:原图右侧,蓝字)
💡 [旁注]:箭头指向”变化趋势”(位置:原图 一行右侧)
📌 [知识点]: = 任意, = 存在, = 使得(位置:原图符号下方红字标注)
💡 [旁注]:当 充分大时, 充分接近 (位置:原图定义式下方,红字)
(2)极限的性质
Ⅰ 唯一性: 收敛于 ,,则 唯一。
Ⅱ 有界性: 收敛于 ,,则 有界。
💡 [旁注]:存在并有界(位置:原图Ⅰ、Ⅱ两条右侧,红字)
Ⅲ 保号性:当 时,
💡 [旁注]:近朱者赤,近墨者黑(位置:原图保号性右侧,红字)
- 若 时,则当 充分大时,
- 若 时,则
💡 [旁注]:(位置:原图右侧,蓝字)
(3)子列收敛判别法
📝 例题 1
【题目】:设 ,且 ,则当 充分大时有( )
- (A)
- (B)
- (C)
- (D)
【解析】:由题设 (),取 ,则存在 ,当 时
故答案选 (A)。
📝 例题 2
【题目】:设 是数列,下列不正确的是( )
- (A) 若 ,则
- (B) 若 ,则
- (C) 若 ,则
- (D) 若 ,则
【解析】:由题设
⚠️ [智能体A注]:题干中数列记为 ,而四个选项均使用 ,前后记号不一致,疑为转写(或原笔记)笔误;按题意二者应指同一数列。
- (A)正确:数列收敛于 时,其任一子列 、 都收敛于 。
- (B)正确:偶数项子列与奇数项子列都以 为极限,则原数列必以 为极限。
- (C)正确:同(A),、 都是 的子列。
💡 [旁注]:(位置:原图解析中间,蓝字)
- (D)错误:缺少 这一条件,三个子列不全,不能推出原数列收敛。
故不正确的是 (D)。
2. 根式有理化
💡 [旁注]:根式相减时,优先考虑根式有理化(位置:原图标题右侧,红字)
📝 例题 3
【题目】:
【解析】:
💡 [旁注]: 型,分子、分母除以最大项(位置:原图例3右侧,红字)
💡 [旁注]:数列极限 连续化 洛必达(位置:原图例3下方,红字带箭头)
3. 数列和的极限
📌 [知识点]:求和符号:,
📌 [知识点]:连乘符号:(位置:原图”求和符号”下方,蓝字)
(1)等比数列和的极限
💡 [旁注]:先求有限项的和 再取极限(位置:原图右上角,红字)
📝 例题 4
【题目】:设 ,求
【解析】:由题设
①②得:
- 当 时,
💡 [旁注]:有限项等比数列求和公式(位置:原图该式右侧,红字)
- 当 时,
💡 [旁注]:无穷项等比数列求和(位置:原图该式右侧,红字)
- 当 时, 不存在
⚠️ [智能体A注]:严格来说,当 时 ,极限的符号依赖于 : 时为 , 时为 。原笔记只写了 ,结论”不存在”不受影响,但表述不够严谨。
- 当 时, 不存在 ,
- 当 时,
📝 例题 5
【题目】:
【解析】:由题设
(2)裂项化求数列和的极限
📌 [知识点]:(位置:原图右侧,蓝字)
📝 例题 6
【题目】:
【解析】:由题设
📝 例题 7
【题目】:
【解析】:由题设
(3)夹逼准则求数列和的极限
设数列 满足
则 。
📌 [知识点]:[注]:用夹逼准则求数列和的极限:分子不动,放缩两端分母(“放缩”二字上方红字标注”通分”)
📝 例题 8
【题目】:
💡 [旁注]:(位置:原图题目右侧,红字)
【解析】:由题设,分母一致 通分
又由于 ,
根据夹逼准则,原式
📝 例题 9
【题目】:
💡 [旁注]:分子不动,放缩两端分母(位置:原图题目上方,蓝字)
💡 [旁注]:(位置:原图题目右侧,红字)
【解析】:由题设
又由于 ,
根据夹逼准则,原式
📝 例题 10
【题目】:设对任意的 ,总有 ,且 ,则 ( )
(A) 存在且等于零 (B) 存在但不等于零 (C) 一定不存在 (D) 不一定存在
💡 [旁注]:原图题干末尾括号处已标记答案 (D)(位置:原图题目”则 “之后,黑字)
【解析】:由题设
(1) ,
但是 ,故 极限不存在
(2) ,
,故 极限存在
⚠️ [智能体A注]:原笔记解析至此未点明答案。综合 (1)(2) 两个反例/正例可知, 可能存在也可能不存在,故应选 (D) 不一定存在。注意 并不等价于 ,因此不能直接套用夹逼准则。
(4)定积分定义求数列和的极限
📌 [知识点]:① ② ③ (位置:原图公式下方,蓝字)
📌 [知识点]:;(位置:原图右侧上下限推导,蓝字)
📝 例题 11
【题目】:
【解析】:由定积分定义
📝 例题 12
【题目】:
【解析】:由定积分定义
✅ [校对说明]:本例题干曾漏写因子 (若按漏写版本计算,答案为 ,与解析不符)。经对照原图(IMG20261013173238),极限号后、左括号前确有因子 ,现已修正为 ,与解析及答案 一致。
第04节 单调有界原理
1. 单调有界原理
📌 [知识点](红字,位于”1. 单调有界原理”下方):数列极限
💡 [旁注1](蓝字,位于红字”数列极限”右侧):,
(1)数列 单调增,有上界,则 存在; (2)数列 单调减,有下界,则 存在。
💡 [旁注2](蓝字,位于第(2)条下方):,
📌 [注1](红字):有界 单调 极限存在 求极限
📌 [注2](红字):()重要不等式
📌 [注3](红字):当 时,,,
📝 例题 1
【题目】:设 ,(),求 。
💡 [思路]:先算前几项 ,可见 单调减;若设 ,由递推式可预判 。
【解析】:
由题设 ,则 ,故
由单调有界原理, 存在,设 ,令 得:
解得 或 (×),故 。
📝 例题 2
【题目】:设 ,,证明 存在,并求其值。
【解析】(证明):
由题设 ,则 。
由单调有界原理, 存在,设 ,令 ,则
解得 或 (舍去),故 。
📝 例题 3
【题目】:设 ,,,证明 存在,并求其值。
【解析】(证明):
当 时,有 。
假设当 时成立 ,则当 时:
由单调有界原理, 存在,设 ,令 ,则
解得 或 (舍),故 。
📝 例题 4
【题目】:设数列 满足:,() (1) 证明 存在,并求该极限;(2) 求 。
【解析】:
(1) 证明:由题设,用归纳法证
当 时, 成立;假设当 时,;
当 时,,故 有界。
由单调有界原理, 存在,设 ,令 ,则
解得 ,故 。
(2)由(1)知 ,故 。又当 时 ,故
📝 例题 5
【题目】:设 ,,(),证明 存在,并求该极限。
【解析】(证明):
由题设
则
于是
则 ,故
第05节 重要极限和幂指转换
本节框架:极限(数列、函数)求法
- 夹逼准则
- 定积分定义
- 单调有界原理
- 重要极限
- 幂指函数转换
- 四则运算
- 等价无穷小替换
- 洛必达法则
- 泰勒公式
- 左右极限
拉格朗日中值定理、积分中值定理
1. 函数极限性质
图像特征:直线 在 处断开(空心圈),函数值定义为 ; 与 无关。
(1) ,称当 时, 以 为极限。
📌 [知识点](原图红字 [注]): (1) 且 ; (2) 与 表达式及自变量 相关; (3) 与 无关。
(2) ,称当 时, 以 为极限(右极限)。
(3) ,称当 时, 以 为极限(左极限)。
📌 [知识点](原图红字 [定理]):
📌 [知识点](原图蓝字 [注]):,
(4) ,记 。
图像特征: 关于 轴对称,当 时 (虚线渐近线)。
📌 [知识点](原图红字 [注]): 不是数,且 (此处 同时包含 与 两个方向)
(5) ,记 。
(6) ,记 。
📌 [知识点](原图蓝字 [定理]):
📌 [知识点](原图红字 [注]): 或 表示六种极限的一种。
📝 例题 1
【题目】:
【解析】:
📌 [知识点](原图红字 [注],“抓大头”结论): 其中 ,。
📝 例题 2
【题目】:求极限
【解析】:
2. 重要极限
(1) ;
图像特征(单位圆中的长度比较,用于夹逼准则):
📝 例题 3
【题目】:
【解析】:
📝 例题 4
【题目】:极限
【解析】:
(2)
设 :,,,…, 单调递增
&=1+C_n^1\cdot\frac{1}{n}+C_n^2\cdot\frac{1}{n^2}+C_n^3\cdot\frac{1}{n^3}+\cdots+C_n^n\cdot\frac{1}{n^n}\\ &=1+n\cdot\frac{1}{n}+\frac{n(n-1)}{2}\cdot\frac{1}{n^2}+\frac{n(n-1)(n-2)}{3!}\cdot\frac{1}{n^3}+\cdots+\frac{n!}{n!}\cdot\frac{1}{n^n}\\ &\leq 1+1+\frac{1}{2!}+\frac{1}{3!}+\cdots+\frac{1}{n!}\leq 1+1+\frac{1}{2}+\frac{1}{2^2}+\cdots+\frac{1}{2^{n-1}}\\ &=1+\frac{1-\left(\frac{1}{2}\right)^n}{1-\frac{1}{2}}=1+2\left(1-\frac{1}{2^n}\right)<3\end{aligned}$$ 故 $\{x_n\}$ 有上界。由单调有界原理,极限存在,记为 $e$。 $$\lim_{x\to\infty}\left(1+\frac{1}{x}\right)^x=e,\qquad \lim_{x\to 0}(1+x)^{\frac{1}{x}}=e$$ $$\lim_{x\to 0^+}\left(1+\frac{1}{x}\right)^x=1,\qquad \lim_{x\to\infty}(1+x)^{\frac{1}{x}}=1$$ > 📌 **[知识点]**(原图红字 [注]):$(1+\text{无穷小})^{\text{无穷大}}=e$(无穷小与无穷大互为倒数) ### 📝 例题 5 **【题目】**:$\lim\limits_{n\to\infty}\left(\dfrac{n-2}{n+1}\right)^n$ **【解析】**: $$\begin{aligned}\text{原式}&=\lim_{n\to\infty}\left(1+\frac{n-2}{n+1}-1\right)^n=\lim_{n\to\infty}\left(1-\frac{3}{n+1}\right)^n\\ &=\lim_{n\to\infty}\left(1+\frac{-3}{n+1}\right)^{\frac{n+1}{-3}\cdot\frac{-3}{n+1}\cdot n}=e^{-3}\end{aligned}$$ ### 📝 例题 6 **【题目】**:设 $a$ 为非零常数,则 $\lim\limits_{x\to\infty}\left(\dfrac{x+a}{x-a}\right)^x=$ **【解析】**: $$\begin{aligned}\text{原式}&=\lim_{x\to\infty}\left(1+\frac{x+a}{x-a}-1\right)^x=\lim_{x\to\infty}\left(1+\frac{2a}{x-a}\right)^x\\ &=\lim_{x\to\infty}\left(1+\frac{2a}{x-a}\right)^{\frac{x-a}{2a}\cdot\frac{2a}{x-a}\cdot x}=e^{2a}\end{aligned}$$ ## 3. 幂指函数转化 $$f(x)^{g(x)}=e^{g(x)\ln f(x)}$$ **说明**:由指数与对数的互逆关系 $u=e^{\ln u}\ (u>0)$,取 $u=f(x)^{g(x)}$,再用对数性质 $\ln f(x)^{g(x)}=g(x)\ln f(x)$,即得 $$f(x)^{g(x)}=e^{\ln f(x)^{g(x)}}=e^{g(x)\ln f(x)}\qquad\bigl(f(x)>0\bigr)$$ ### 📝 例题 7 **【题目】**:$\lim\limits_{x\to 0}(\cos x)^{\frac{1}{\ln(1+x^2)}}$ **【解析】**: $$\text{原式}=\lim_{x\to 0}e^{\frac{\ln\cos x}{\ln(1+x^2)}}=\lim_{x\to 0}e^{\frac{\cos x-1}{x^2}}=\lim_{x\to 0}e^{\frac{-\frac{1}{2}x^2}{x^2}}=e^{-\frac{1}{2}}$$ ### 📝 例题 8 **【题目】**:求 $\lim\limits_{n\to\infty}\left(n\tan\dfrac{1}{n}\right)^{n^2}$($n$ 为自然数) **【解析】**:(连续化:令 $x=\dfrac{1}{n}$,则 $n\to\infty\iff x\to 0^+$) $$\begin{aligned}\text{原式}&=\lim_{x\to 0^+}\left(\frac{\tan x}{x}\right)^{\frac{1}{x^2}}=\lim_{x\to 0^+}e^{\frac{1}{x^2}\ln\frac{\tan x}{x}}\\ &=\lim_{x\to 0^+}e^{\frac{1}{x^2}\ln\left(1+\frac{\tan x}{x}-1\right)}=\lim_{x\to 0^+}e^{\frac{\tan x-x}{x^3}}\\ &=\lim_{x\to 0^+}e^{\frac{\frac{1}{3}x^3}{x^3}}=e^{\frac{1}{3}}\end{aligned}$$ ## 4. 无穷小及其性质 $\lim\limits_{x\to x_0}f(x)=0$,称 $f(x)$ 是 $x\to x_0$ 时的无穷小。 > 📌 **[知识点]**(原图红字 [注]):无穷小是表达式,"0" 是特殊的无穷小。 **(1)** $\lim\limits_{x\to x_0}f(x)=A \iff \lim\limits_{x\to x_0}(f(x)-A)=0$ 记为 $f(x)-A=\alpha(x)$,即 $f(x)=A+\alpha(x)$。 **(2)** 无穷小四则运算 - 有限个无穷小的和、差、积仍是无穷小; - 无穷小 × 有界 = 无穷小。 ### 📝 例题 9 **【题目】**:$\lim\limits_{x\to\infty}\dfrac{x^3+x^2+1}{2^x+x^3}(\sin x+\cos x)$ **【解析】**: $$|\sin x+\cos x|\leq|\sin x|+|\cos x|\leq 1+1=2,\quad\text{有界}$$ $$\lim_{x\to\infty}\frac{x^3+x^2+1}{2^x+x^3}\overset{\text{洛必达}}{=}\lim_{x\to\infty}\frac{3x^2+2x}{2^x\ln 2+3x^2}\overset{\text{洛必达}}{=}\lim_{x\to\infty}\frac{6x+2}{2^x(\ln 2)^2+6x}\overset{\text{洛必达}}{=}\lim_{x\to\infty}\frac{6}{2^x(\ln 2)^3+6}=0$$ 故 原式 $=0$(无穷小 × 有界 = 无穷小)。 ## 5. 无穷大 $\lim\limits_{x\to x_0}f(x)=\infty$,称 $f(x)$ 是 $x\to x_0$ 时的无穷大。 **(1)** $\lim\limits_{x\to x_0}f(x)=\infty \Rightarrow \lim\limits_{x\to x_0}\dfrac{1}{f(x)}=0$ **(2)** $\lim\limits_{x\to x_0}g(x)=0\ (g(x)\neq 0) \Rightarrow \lim\limits_{x\to x_0}\dfrac{1}{g(x)}=\infty$ **(3)** 无穷大与无界: $$\text{无界}\begin{cases}\text{无穷大}\\ \text{振荡}\end{cases}$$ $$\text{无穷大} \Rightarrow \text{无界}$$  > 图像特征:$f(x)=x\sin x$ 的振幅随 $|x|$ 增大而增大(无界但非无穷大);$g(x)=\sin x$ 与 $h(x)=2\sin x$ 均为有界振荡。 ### 📝 例题 10 **【题目】**:$f(x)=x\sin x$ 是( ) - (A) 当 $x\to\infty$ 时为无穷大 - (B) 在 $(-\infty,+\infty)$ 内有界 - (C) 在 $(-\infty,+\infty)$ 内无界 - (D) 当 $x\to\infty$ 时有有限极限 **【解析】**:结合图像 $f(x)=x\sin x$: 令 $x_n=2n\pi+\dfrac{\pi}{2}$,当 $n\to\infty$ 时,$x_n\to\infty$,$f(x_n)=2n\pi+\dfrac{\pi}{2}\to+\infty$; 令 $y_n=2n\pi$,当 $n\to\infty$ 时,$y_n\to+\infty$,$f(y_n)=0$。 故 $f(x)$ **无界**(但非无穷大),选 (C)。  > 图像特征:振荡曲线被两条虚线(包络线 $y=\pm x$)夹住,波峰落在 $y=x$ 上,波谷落在 $y=-x$ 上,过原点。 --- # 第06节 等价无穷小、四则运算和洛必达法则 > 📌 **[说明]**:原图标题为「第六节 等价无穷小,四则运算和洛必达法则」,本文件编号与原图一致。 ## 1. 无穷小量的阶 ### (1)定义 设 $\lim\limits_{x\to x_0}\alpha(x)=0$,$\lim\limits_{x\to x_0}\beta(x)=0$ > 💡 **[旁注]**:加相同变化(位置:原图该行右侧,红字;指对 $\alpha(x)$、$\beta(x)$ 作相同的变形) $$\lim_{x\to x_0}\frac{\alpha(x)}{\beta(x)}= \begin{cases} 0, & \text{称 }\alpha(x)\text{ 是 }\beta(x)\text{ 的}\textbf{高阶无穷小}\text{,记为 }\alpha(x)=o(\beta(x))\\[6pt] \infty, & \text{称 }\alpha(x)\text{ 是 }\beta(x)\text{ 的}\textbf{低阶无穷小}\text{,记为 }\alpha(x)=O(\beta(x))\\[6pt] C\neq 0, & \text{称 }\alpha(x)\text{ 是 }\beta(x)\text{ 的}\textbf{同阶无穷小}\\[6pt] 1, & \text{称 }\alpha(x)\text{ 是 }\beta(x)\text{ 的}\textbf{等价无穷小}\text{,记为 }\alpha(x)\sim\beta(x) \end{cases}$$ > ⚠️ **[智能体A注]**:记号 $\alpha=O(\beta)$ 通常表示 $\left|\alpha/\beta\right|$ 有界,用以表示“低阶”并不规范;低阶更常见的写法是 $\beta=o(\alpha)$(或 $\alpha=\omega(\beta)$)。此处按原笔记保留,仅作记号提醒。 ### (2)k 阶无穷小 $$\lim_{x\to x_0}\frac{\alpha(x)}{\beta^k(x)}=C\neq 0,\quad\text{称 }\alpha(x)\text{ 是 }\beta(x)\text{ 的 }k\text{ 阶无穷小}$$ > 📌 **[知识点]**(原图红字、带下划线,位于本节下方):注 2 无穷小量的阶描述了表达式趋于零的速度。 ## 2. 等价无穷小(当 $x\to 0$ 时) **(1)** $$\sin x\sim\tan x\sim\arcsin x\sim\arctan x\sim x$$ $$1-\cos x\sim\frac12x^2,\qquad x-\sin x\sim\frac16x^3,\qquad \tan x-x\sim\frac13x^3,\qquad \tan x-\sin x\sim\frac12x^3$$ **(2)** $$e^x-1\sim x,\qquad a^x-1=e^{x\ln a}-1\sim x\ln a$$ **(3)** $$\ln(1+x)\sim x,\qquad x-\ln(1+x)\sim\frac12x^2$$ **(4)** $$(1+x)^\alpha-1\sim\alpha x$$ **原图下方三条推导(验证上述等价):** **(i)** 换元:令 $t=e^x-1$,则 $x=\ln(1+t)$, $$\lim_{x\to0}\frac{e^x-1}{x}=\lim_{t\to0}\frac{t}{\ln(1+t)}=\lim_{t\to0}\frac{1}{\ln(1+t)^{1/t}}=\frac{1}{\ln e}=1$$ **(ii)** $$\lim_{x\to0}\frac{\ln(1+x)}{x}=\lim_{x\to0}\frac1x\ln(1+x)=\lim_{x\to0}\ln(1+x)^{\frac1x}=\ln e=1$$ **(iii)** $$\lim_{x\to0}\frac{(1+x)^\alpha-1}{\alpha x}=\lim_{x\to0}\frac{e^{\alpha\ln(1+x)}-1}{\alpha x}=\lim_{x\to0}\frac{\alpha\ln(1+x)}{\alpha x}=\lim_{x\to0}\frac{\alpha x}{\alpha x}=1$$ ### 📝 例题 1 **【题目】**:当 $x\to 0^+$ 时,与 $\sqrt x$ 等价的无穷小量是( ).(原图勾选笔误,按 **(B)** 定稿) - (A) $1-e^{\sqrt x}$ - (B) $\ln\dfrac{1+x}{1-\sqrt x}$ - (C) $\sqrt{1+\sqrt x}-1$ - (D) $1-\cos\sqrt x$ **【解析】**:由题设,当 $x\to 0^+$ 时 - (A) $1-e^{\sqrt x}=-(e^{\sqrt x}-1)\sim-\sqrt x$ - (B) $\ln\dfrac{1+x}{1-\sqrt x}=\ln\!\left(1+\dfrac{x+\sqrt x}{1-\sqrt x}\right)\sim\dfrac{x+\sqrt x}{1-\sqrt x}\sim x+\sqrt x\sim\sqrt x$ - (C) $\sqrt{1+\sqrt x}-1\sim\dfrac12\sqrt x$ - (D) $1-\cos\sqrt x\sim\dfrac12(\sqrt x)^2=\dfrac12x$ 故与 $\sqrt x$ 等价的无穷小量是 **(B)**. ### 📝 例题 2 **【题目】**:设当 $x\to0$ 时,$e^{\tan x}-e^x$ 与 $x^n$ 是同阶无穷小,则 $n$ 为( ). - (A) 1 - (B) 2 - (C) 3 - (D) 4 > 📌 **[知识点]**(原图红字,位于题目下方):提差套 $e^a-e^b=e^b\left(e^{a-b}-1\right)$ **【解析】**:由题设 $$\lim_{x\to0}\frac{e^{\tan x}-e^x}{x^n}=\lim_{x\to0}\frac{e^x\left(e^{\tan x-x}-1\right)}{x^n}=\lim_{x\to0}\frac{e^x(\tan x-x)}{x^n}=\lim_{x\to0}\frac{e^x\cdot\frac13x^3}{x^n}=\lim_{x\to0}\frac{\frac13x^3}{x^n}=C\neq0$$ 故 $n=3$,选 **(C)**. ## 3. 高阶无穷小阶的运算 **(1)** $x^n\cdot o(x^m)=o(x^{n+m})$ $$\lim_{x\to0}\frac{x^n\cdot o(x^m)}{x^{n+m}}=\lim_{x\to0}\frac{o(x^m)}{x^m}=0$$ **(2)** $o(x^n)\cdot o(x^m)=o(x^{n+m})$ $$\lim_{x\to0}\frac{o(x^n)\,o(x^m)}{x^{n+m}}=\lim_{x\to0}\frac{o(x^n)}{x^n}\cdot\frac{o(x^m)}{x^m}=0\cdot0=0$$ **(3)** $o(x^n)-o(x^n)=o(x^n)$ **(4)** $o(x^m)+o(x^n)=o(x^n)\quad(m>n)$ > 📌 **[知识点]**(原图红字,位于(3)右侧):无穷小量同阶运算无系数。 > 📌 **[知识点]**(原图红字,位于本节下方):注 高阶无穷小量同阶运算,无系数,无正负号。 ### 📝 例题 3 **【题目】**:当 $x\to0$ 时,用 $o(x^n)$ 表示比 $x^n$ 高阶的无穷小量,则下列式子中**错误**的是( ). - (A) $x\cdot o(x^2)=o(x^3)$ - (B) $o(x)\cdot o(x^2)=o(x^3)$ - (C) $o(x^2)+o(x^2)=o(x^2)$ - (D) $o(x)+o(x^2)=o(x^2)$ **【解析】**:由题设 - (A) $\lim\limits_{x\to0}\dfrac{x\cdot o(x^2)}{x^3}=\lim\limits_{x\to0}\dfrac{o(x^2)}{x^2}=0\ \Rightarrow\ x\cdot o(x^2)=o(x^3)$ - (B) $\lim\limits_{x\to0}\dfrac{o(x)\,o(x^2)}{x^3}=\lim\limits_{x\to0}\dfrac{o(x)}{x}\cdot\dfrac{o(x^2)}{x^2}=0\cdot0=0\ \Rightarrow\ o(x)\,o(x^2)=o(x^3)$ - (C) $\lim\limits_{x\to0}\dfrac{o(x^2)+o(x^2)}{x^2}=\lim\limits_{x\to0}\dfrac{o(x^2)}{x^2}+\dfrac{o(x^2)}{x^2}=0+0=0\ \Rightarrow\ o(x^2)+o(x^2)=o(x^2)$ - (D) $\lim\limits_{x\to0}\dfrac{o(x)+o(x^2)}{x^2}=\lim\limits_{x\to0}\dfrac{o(x)}{x^2}$ 不一定为 $0$(低阶项 $o(x)$ 主导,实为 $o(x)+o(x^2)=o(x)\neq o(x^2)$) 故错误的为 **(D)**(原图末尾标注「∴ 选 D」). > ⚠️ **[智能体A注]**:原笔记 (D) 推导不完整。补反例:取 $f(x)=x^{3/2}=o(x)$、$g(x)=0=o(x^2)$,则 $\dfrac{f+g}{x^2}=x^{-1/2}\to\infty$,故 $o(x)+o(x^2)\neq o(x^2)$,(D) 不成立。 ## 4. 极限四则运算 > 💡 **[旁注]**:加减乘除(位置:标题右侧,红字) 设 $\lim f(x)=A$,$\lim g(x)=B$,则 **(1)** $\lim[f(x)\pm g(x)]=\lim f(x)\pm\lim g(x)=A\pm B$ **(2)** $\lim[f(x)\cdot g(x)]=\lim f(x)\cdot\lim g(x)=A\cdot B$ **(3)** $\lim\dfrac{f(x)}{g(x)}=\dfrac{\lim f(x)}{\lim g(x)}=\dfrac{A}{B}\quad(B\neq0)$ > 📌 **[知识点]**(原图红字,位于本节下方):注 极限都存在、分母不为 $0$,才可以拆开计算。 ## 5. 等价无穷小替换定理 设 $\lim\limits_{x\to x_0}\alpha(x)=0$,$\lim\limits_{x\to x_0}\beta(x)=0$,且 $\alpha(x)\sim\tilde\alpha(x)$,$\beta(x)\sim\tilde\beta(x)$,则 $$\lim_{x\to x_0}\frac{\alpha(x)}{\beta(x)}=\lim_{x\to x_0}\frac{\tilde\alpha(x)}{\tilde\beta(x)}=\lim_{x\to x_0}\frac{\alpha(x)}{\tilde\beta(x)}=\lim_{x\to x_0}\frac{\tilde\alpha(x)}{\beta(x)}$$ > 📌 **[知识点]**(原图红字,位于本节下方):注 2 加减法慎用等价无穷小,乘除法(整体)可用;局部不可用等价,函数内部不可用等价。 ### 📝 例题 4 **【题目】**:$\lim\limits_{n\to\infty}\dfrac{\dfrac1n-\sin\dfrac1n}{\sin^3\dfrac1n}$ > 💡 **[旁注]**:数列极限,连续化后用等价无穷小(位置:题目右上,红框;原图标注“洛必达”,实际求解未用到) **【解析】**: $$\text{原式}=\lim_{n\to\infty}\frac{\dfrac1n-\sin\dfrac1n}{\sin^3\dfrac1n}=\lim_{n\to\infty}\frac{\dfrac16\cdot\dfrac1{n^3}}{\dfrac1{n^3}}=\frac16$$ (分母 $\sin^3\dfrac1n\sim\dfrac1{n^3}$,与分子 $\dfrac1n-\sin\dfrac1n\sim\dfrac1{6n^3}$ 同阶,故原式 $=\dfrac16$,原笔记正确。) ### 📝 例题 5 **【题目】**:$\lim\limits_{x\to0}\dfrac{e-e^{\cos x}}{\sqrt[3]{1+x^2}-1}$ > 📌 **[知识点]**(原图红字,位于题目右上):×局部等价——上面被划掉的做法是错的(反面例子)。 **【解析】**: $$\text{原式}=\lim_{x\to0}\frac{e\left(1-e^{\cos x-1}\right)}{\frac13x^2}=\lim_{x\to0}\frac{-(e^{\cos x-1}-1)\,e}{\frac13x^2}=\lim_{x\to0}\frac{(1-\cos x)\,e}{\frac13x^2}=\lim_{x\to0}\frac{\frac12x^2\,e}{\frac13x^2}=\frac32e$$ (原图答案框:$\dfrac32e$) ### 📝 例题 6 **【题目】**:求极限 $\lim\limits_{x\to1}\dfrac{x^x-1}{x\ln x}$ **【解析】**:由题设 $$\text{原式}=\lim_{x\to1}\frac{e^{x\ln x}-1}{x\ln x}=\lim_{x\to1}\frac{x\ln x}{x\ln x}=1$$ ### 📝 例题 7 **【题目】**:$\lim\limits_{x\to0}\dfrac{3\sin x+x^2\cos\dfrac1x}{(1+\cos x)\ln(1+x)}$ **【解析】**:由题设 $$\text{原式}=\lim_{x\to0}\frac{1}{1+\cos x}\cdot\frac{3\sin x+x^2\cos\frac1x}{\ln(1+x)}=\frac12\cdot\lim_{x\to0}\frac{3\sin x+x^2\cos\frac1x}{x}$$ $$=\lim_{x\to0}\frac{3\sin x}{2x}+\lim_{x\to0}\frac{x\cos\frac1x}{2}=\frac32+\lim_{x\to0}\frac12x\cos\frac1x$$ > 📌 **[知识点]**(原图红字,位于该行下方):无穷小 $\times$ 有界 $=$ 无穷小。 $$=\frac32+0=\frac32$$ ### 📝 例题 8 **【题目】**:求 $\lim\limits_{x\to0}\dfrac{1-\cos x}{x\left(1-\cos\sqrt x\right)}$ **【解析】**:由题设 $$\text{原式}=\lim_{x\to0}\frac{1-\cos x}{x\left(1-\cos\sqrt x\right)}=\lim_{x\to0}\frac{\frac12x^2}{x\cdot\frac12\left(\sqrt x\right)^2}=\lim_{x\to0}\frac{\frac12x^2}{\frac12x^2}=1$$ > ⚠️ **[智能体A注]**:原笔记末值写作 $\frac12$,应为 **1**($\frac{\frac12x^2}{\frac12x^2}=1$),系笔误。 ### 📝 例题 9 **【题目】**:$\lim\limits_{x\to0}\dfrac{e^{x^2}-\cos x}{\ln(\cos x)}$ **【解析】**:由题设 $$\text{原式}=\lim_{x\to0}\frac{e^{x^2}-\cos x}{\ln\!\left(1+(\cos x-1)\right)}=\lim_{x\to0}\frac{e^{x^2}-\cos x}{\cos x-1}=\lim_{x\to0}\frac{\left(e^{x^2}-1\right)+(1-\cos x)}{\cos x-1}$$ $$=\lim_{x\to0}\frac{e^{x^2}-1}{\cos x-1}+\lim_{x\to0}\frac{1-\cos x}{\cos x-1}=-2+(-1)=-3$$ ### 📝 例题 10 **【题目】**:$\lim\limits_{x\to0}\left(\dfrac{1}{\sin^2x}-\dfrac{1}{x^2}\right)$ **【解析】**:由题设 $$\text{原式}=\lim_{x\to0}\frac{x^2-\sin^2x}{x^2\sin^2x}=\lim_{x\to0}\frac{(x-\sin x)(x+\sin x)}{x^4}=\lim_{x\to0}\left(1+\frac{\sin x}{x}\right)\cdot\lim_{x\to0}\frac{x-\sin x}{x^3}$$ $$=(1+1)\cdot\lim_{x\to0}\frac{x-\sin x}{x^3}=2\cdot\frac16=\frac13$$ ### 📝 例题 11 **【题目】**:$\lim\limits_{x\to+\infty}\dfrac{e^x}{\left(1+\dfrac1x\right)^{x^2}}$ **【解析】**: $$\text{原式}=\lim_{x\to\infty}\frac{e^x}{e^{x^2\ln\left(1+\frac1x\right)}}=\lim_{x\to\infty}e^{\,x-x^2\ln\left(1+\frac1x\right)}$$ 令 $\dfrac1x=t$,则 $$\text{原式}=\lim_{t\to0^+}e^{\frac1t-\frac{\ln(1+t)}{t^2}}=\lim_{t\to0^+}e^{\frac{t-\ln(1+t)}{t^2}}=\lim_{t\to0^+}e^{\frac{\,t^2/2\,}{t^2}}=\lim_{t\to0^+}e^{\frac12}=e^{\frac12}=\sqrt e$$ ## 6. 洛必达法则 > 💡 **[旁注]**:先定型 → 再求导(位置:标题右侧,红字) $$\lim_{x\to x_0}\frac{f(x)}{g(x)}\ \overset{\frac{0}{0}\,/\,\frac{\infty}{\infty}}{=}\ \lim_{x\to x_0}\frac{f'(x)}{g'(x)}\ \overset{\frac{0}{0}\,/\,\frac{\infty}{\infty}}{=}\ \lim_{x\to x_0}\frac{f''(x)}{g''(x)}$$ > 📌 **[知识点]**(原图红字,位于公式下方):存在 $\Leftarrow$ 存在;不存在 $\nRightarrow$ 不存在(第二条箭头带划叉)。 ### 📝 例题 12 **【题目】**:求极限 $\lim\limits_{x\to1}\dfrac{\ln\left(\cos(x-1)\right)}{1-\sin\dfrac{\pi x}{2}}$ **【解析】**(方法一:洛必达 + 等价) $$\text{原式}\ \overset{\text{洛必达}}{=}\ \lim_{x\to1}\frac{-\tan(x-1)}{-\dfrac{\pi}{2}\cos\dfrac{\pi x}{2}}=\lim_{x\to1}\frac{2}{\pi}\cdot\frac{\tan(x-1)}{\cos\dfrac{\pi x}{2}}$$ 其中 $\tan(x-1)\sim(x-1)$,$\cos\dfrac{\pi x}{2}=-\sin\dfrac{\pi(x-1)}{2}\sim-\dfrac{\pi(x-1)}{2}$,故 $$\text{原式}=\frac{2}{\pi}\cdot\left(-\frac{2}{\pi}\right)=-\frac{4}{\pi^2}$$ **【解析】**(方法二:换元 $x-1=t$) $$\lim_{t\to0}\frac{\ln\cos t}{1-\sin\dfrac{\pi(1+t)}{2}}=\lim_{t\to0}\frac{\ln\cos t}{1-\cos\dfrac{\pi t}{2}}=\lim_{t\to0}\frac{-\frac12t^2}{\frac12\left(\frac{\pi t}{2}\right)^2}=-\frac{4}{\pi^2}$$ > ⚠️ **[智能体A注]**:原笔记方法一末值写作 $-\dfrac{2}{\pi}$,为中途笔误;两法结果应一致,均为 $-\dfrac{4}{\pi^2}$。 ### 📝 例题 13 **【题目】**:$\lim\limits_{x\to\infty}\dfrac{x+\sin x}{x-\sin x}$ **【解析】**: 若用洛必达: $$\lim_{x\to\infty}\frac{1+\cos x}{1-\cos x}\quad(\text{原图红字:不存在})$$ 即洛必达法则在此失效(导数之比的极限不存在),应改用其他方法: $$\text{原式}=\lim_{x\to\infty}\frac{1+\dfrac{\sin x}{x}}{1-\dfrac{\sin x}{x}}=\frac{1+0}{1-0}=1$$ --- # 第07节 泰勒公式、左右极限和极限反问题 ## 1. 泰勒公式\begin{aligned} e^x=1+x+\frac{1}{2!}x^2+\frac{1}{3!}x^3+\cdots+\frac{1}{n!}x^n+\cdots \ =1+x+\frac{1}{2!}x^2+\frac{1}{3!}x^3+\cdots+\frac{1}{n!}x^n+o(x^n) \end{aligned}
\begin{aligned} \sin x=x-\frac{1}{3!}x^3+\frac{1}{5!}x^5+\cdots+\frac{(-1)^n}{(2n+1)!}x^{2n+1}+o\left(x^{2n+2}\right) \ =x-\frac{1}{3!}x^3+\frac{1}{5!}x^5+\cdots+\frac{(-1)^n}{(2n+1)!}x^{2n+1}+0\cdot x^{2n+2}+o\left(x^{2n+2}\right) \end{aligned}
\begin{aligned} \cos x=1-\frac{1}{2!}x^2+\frac{1}{4!}x^4+\cdots+\frac{(-1)^n}{(2n)!}x^{2n}+o\left(x^{2n+1}\right) \ =1-\frac{1}{2!}x^2+\frac{1}{4!}x^4+\cdots+\frac{(-1)^n}{(2n)!}x^{2n}+0\cdot x^{2n+1}+o\left(x^{2n+1}\right) \end{aligned}
> 💡 **[旁注]**:「奇」为红字,位于 $\sin x$ 行上方;「偶」为红字,位于 $\cos x$ 行上方;蓝色「缺」字带弯箭头由 $\sin x$ 指向 $\cos x$(位置:原图左边缘)。含义:$\sin x$ 只含奇次项(奇函数)、$\cos x$ 只含偶次项(偶函数),二者互为缺项,故展开时可用 $0\cdot x^{k}$ 补位。\ln(1+x)=x-\frac12x^2+\frac13x^3+\cdots+\frac{(-1)^n}{n+1}x^{n+1}+o\left(x^{n+1}\right)
(1+x)^{\alpha}=1+\alpha x+\frac{\alpha(\alpha-1)}{2!}x^2+\cdots+\frac{\alpha(\alpha-1)\cdots(\alpha-n+1)}{n!}x^n+o(x^n)
> 📌 **[知识点]**(原图红字 [注],位于展开式下方): > (1)分子分母同阶原则; > (2)系数不为零原则。 ### 📝 例题 1 **【题目】**:$\lim\limits_{x\to0}\dfrac{e^{x^3}-1-x^3}{\sin^6x}$ **【解析】**:由题设($\sin^6x\sim x^6$)\text{原式}=\lim_{x\to0}\frac{e^{x^3}-1-x^3}{x^6}=\lim_{x\to0}\frac{\left(1+x^3+\frac{1}{2!}x^6-1-x^3+o(x^6)\right)}{x^6}=\lim_{x\to0}\frac{\frac{1}{2!}x^6+o(x^6)}{x^6}=\frac12
> 📌 **[知识点]**(原图红字 [注2],位于本页页末):泰勒公式要带皮亚诺余项。 ### 📝 例题 2 **【题目】**:$\lim\limits_{x\to0}\dfrac{\cos x-e^{-\frac{x^2}{2}}}{x^2\left(x+\ln(1-x)\right)}$ > 📌 **[知识点]**(原图红字,位于题目右侧页边): > > $$ > \ln(1+x)=x-\frac12x^2+o(x^3)\ \Rightarrow\ \ln(1-x)=-x-\frac12x^2+o(x^2) > $$ > > $$ > e^x=1+x+\frac{x^2}{2!}+o(x^2)\ \Rightarrow\ e^{-\frac{x^2}{2}}=1-\frac{x^2}{2}+\frac{x^4}{8}+o(x^4) > $$ **【解析】**:由题设\begin{aligned} \text{原式}=\lim_{x\to0}\frac{1-\frac{x^2}{2!}+\frac{x^4}{4!}+o(x^4)-\left(1-\frac{x^2}{2}+\frac{x^4}{8}+o(x^4)\right)}{x^2\left(x-x-\frac12x^2+o(x^2)\right)} \ =\lim_{x\to0}\frac{-\frac{1}{12}x^4+o(x^4)}{-\frac12x^4+o(x^4)}=\lim_{x\to0}\frac{-\frac{1}{12}+\frac{o(x^4)}{x^4}}{-\frac12+\frac{o(x^4)}{x^4}}=-\frac{1}{12}\cdot(-2)=\frac16 \end{aligned}
### 📝 例题 3 **【题目】**:$\lim\limits_{x\to0}\left(\dfrac{1}{\sin^2x}-\dfrac{\cos^2x}{x^2}\right)$ **【解析】**:由题设\begin{aligned} \text{原式}=\lim_{x\to0}\frac{x^2-\sin^2x\cos^2x}{x^2\sin^2x}=\lim_{x\to0}\frac{x^2-\sin^2x\cos^2x}{x^4} \ =\lim_{x\to0}\frac{x^2-\frac14\cdot\frac{1-\cos4x}{2}}{x^4}=\lim_{x\to0}\frac{x^2-\frac18\left(1-\cos4x\right)}{x^4} \ =\lim_{x\to0}\frac{x^2-\frac18+\frac18\left(1-\frac12(4x)^2+\frac{1}{4!}(4x)^4+o(x^4)\right)}{x^4}=\lim_{x\to0}\frac{\frac43x^4+o(x^4)}{x^4}=\frac43 \end{aligned}
> 📌 **[知识点]**(原图红字 [注2],位于本页页末):三角函数 → 先降幂,再计算(极限、求导、积分)。 ## 2. 左右极限 > 💡 **[旁注]**:函数极限 → 曲线的变化趋势(位置:标题右侧,红字) **定理**:\lim_{x\to x_0}f(x)=A\iff \lim_{x\to x_0^+}f(x)=\lim_{x\to x_0^-}f(x)=A
> 📌 **[知识点]**(原图红字 [注],位于定理下方): > (1)分段函数在分段点; > (2)$\dfrac1x$,$\arctan\dfrac1x$,$e^{\frac1x}$; > (3)当 $x\to\infty$ 时,包含 $x\to+\infty$ 和 $x\to-\infty$,即 $\infty=\pm\infty$(此条为蓝字)。 ### 📝 例题 4 **【题目】**:$\lim\limits_{x\to0^+}\dfrac{1-e^{\frac1x}}{x+e^{\frac1x}}$ **【解析】**:\text{原式}=\lim_{x\to0^+}\frac{e^{-\frac1x}-1}{xe^{-\frac1x}+1}=\frac{0-1}{0+1}=-1
> 📌 **[知识点]**(原图红字,位于本例下方):函数极限 → 曲线变化(曲线趋势)。 ### 📝 例题 5 **【题目】**:$\lim\limits_{x\to0}\left(\dfrac{2+e^{\frac1x}}{1+e^{\frac4x}}+\dfrac{\sin x}{|x|}\right)$ **【解析】**:由题设(左右极限分别计算)\lim_{x\to0^+}\left(\frac{2+e^{\frac1x}}{1+e^{\frac4x}}+\frac{\sin x}{|x|}\right)=0+1=1
\lim_{x\to0^-}\left(\frac{2+e^{\frac1x}}{1+e^{\frac4x}}+\frac{\sin x}{|x|}\right)=2-1=1
左右极限相等,故原式 $=1$。 > 💡 **[旁注]**:$\dfrac{\sin x}{|x|}$ 分左右两侧讨论——右侧 $x\to0^+$ 时 $x>0$,$|x|=x$,故 $\dfrac{\sin x}{|x|}=\dfrac{\sin x}{x}\to1$;左侧 $x\to0^-$ 时 $x<0$,$|x|=-x$,故 $\dfrac{\sin x}{|x|}=-\dfrac{\sin x}{x}\to-1$。第一行写 $\dfrac{\sin x}{x}$(正、取 1),第二行结果为 $2-1=1$(负、取 $-1$),与此完全对应。分母指数经确认为 $e^{\frac4x}$。 ## 3. 极限反问题 > 📌 **[知识点]**(蓝字,位于标题右侧):已知极限,求表达式/参数。 **(1)** 若 $\lim\limits_{x\to x_0}\dfrac{f(x)}{g(x)}=A$,$\lim\limits_{x\to x_0}g(x)=0$,则 $\lim\limits_{x\to x_0}f(x)=0$。 **证明**:\lim_{x\to x_0}f(x)=\lim_{x\to x_0}\frac{f(x)}{g(x)}\cdot g(x)=A\cdot 0=0
**(2)** 若 $\lim\limits_{x\to x_0}\dfrac{f(x)}{g(x)}=B\neq0$,$\lim\limits_{x\to x_0}f(x)=0$,则 $\lim\limits_{x\to x_0}g(x)=0$。 ### 📝 例题 6 **【题目】**:已知当 $x\to0$ 时,$(1+ax^2)^{\frac13}-1$ 与 $\cos x-1$ 是等价无穷小,则常数 $a$ 为? **【解析】**:由题设\lim_{x\to0}\frac{(1+ax^2)^{\frac13}-1}{\cos x-1}=\lim_{x\to0}\frac{\frac13ax^2}{-\frac12x^2}=-\frac23a=1
故 $a=-\dfrac32$。 ### 📝 例题 7 **【题目】**:已知 $\lim\limits_{x\to\infty}\left(\dfrac{x^2}{x+1}-ax-b\right)=0$,其中 $a,b$ 常数,则( ) - (A) $a=1,\ b=1$ - (B) $a=-1,\ b=1$ - (C) $a=1,\ b=-1$ - (D) $a=-1,\ b=-1$ **【解析】**:由题设\text{原式}=\lim_{x\to\infty}\frac{x^2-(ax+b)(x+1)}{x+1}=\lim_{x\to\infty}\frac{(1-a)x^2-(a+b)x-b}{x+1}=0
\begin{cases}1-a=0\ a+b=0\end{cases}\quad\text{解得}\quad\begin{cases}a=1\ b=-1\end{cases}
> 💡 **[旁注]**:原图解析止于「解得」,末尾未写选项字母;按计算结果应选 **(C)**。 ### 📝 例题 8 **【题目】**:设函数 $f(x)$ 在 $x=0$ 的某邻域内具有一阶连续导数,且 $f(0)\neq0$,$f'(0)\neq0$,若 $af(h)+bf(2h)-f(0)$ 在 $h\to0$ 时是比 $h$ 高阶的无穷小,试确定 $a,b$ 的值。 **【解析】**:由题设\lim_{h\to0}\frac{af(h)+bf(2h)-f(0)}{h}=\lim_{h\to0}\frac{af’(h)+2bf’(2h)}{1}=0
**(1)** $\lim\limits_{h\to0}\left[af(h)+bf(2h)-f(0)\right]=af(0)+bf(0)-f(0)=0$, 由于 $f(0)\neq0$,则 $a+b-1=0$。 **(2)** $\lim\limits_{h\to0}\left[af'(h)+2bf'(2h)\right]=af'(0)+2bf'(0)=0$, 由于 $f'(0)\neq0$,则 $a+2b=0$。\begin{cases}a+b-1=0\ a+2b=0\end{cases}\quad\text{解得}\quad\begin{cases}a=2\ b=-1\end{cases}
### 📝 例题 9 **【题目】**:当 $x\to0$ 时,$e^x-(ax^2+bx+1)$ 是比 $x^2$ 高阶的无穷小,则( ) - (A) $a=\dfrac12,\ b=1$ - (B) $a=1,\ b=1$ - (C) $a=-\dfrac12,\ b=1$ - (D) $a=-1,\ b=1$ **【解析】**:由题设\lim_{x\to0}\frac{e^x-(ax^2+bx+1)}{x^2}=\lim_{x\to0}\frac{1+x+\frac{x^2}{2!}+o(x^2)-(ax^2+bx+1)}{x^2}=\lim_{x\to0}\frac{\left(\frac12-a\right)x^2+(1-b)x+o(x^2)}{x^2}=0
\begin{cases}\frac12-a=0\ 1-b=0\end{cases}\quad\text{解得}\quad\begin{cases}a=\frac12\ b=1\end{cases}
选 **(A)**。 --- # 第08节 连续和间断 > 📌 **[说明]**:原图标题为「第08节 连续和间断」,本文件编号与原图一致。 ## 1. 函数在某点处的连续  > 图像特征:左图曲线在 $x=x_0$ 处连续,极限值等于函数值;右图在 $x=x_0$ 处断开(空心点),说明极限与函数值彼此无关,是连续性的反例。 设 $f(x)$ 在 $U_\delta(x_0)$ 内有定义 $$\lim_{x\to x_0}f(x)=f(x_0)$$ 称 $f(x)$ 在 $x=x_0$ 处连续。 > 📌 **[知识点]**(原图红字 [注]): > (1)$\lim\limits_{x\to x_0}f(x)$ 存在; > (2)$f(x_0)$ 有定义; > (3)$\lim\limits_{x\to x_0}f(x)=f(x_0)$。 > 📌 **[知识点]**(原图蓝字 [定理]): > $$\lim_{x\to x_0}f(x)=f(x_0)\iff \lim_{x\to x_0^-}f(x)=\lim_{x\to x_0^+}f(x)=f(x_0)$$ > 连续的必要条件:左、右极限与函数值相等。 > 📌 **[知识点]**(原图红字 [注2]):特殊点 $\to$ 分段点、无定义点。 ### 📝 例题 1 **【题目】**:讨论函数 $f(x)=\begin{cases}\sqrt{|x|}\sin\dfrac1x,& x\neq 0\\[6pt] 0,& x=0\end{cases}$ 在点 $x=0$ 处的连续性。 **【解析】**:由题设,$f(x)$ 在 $x=0$ 两侧表达式相同。 $$\lim_{x\to0}f(x)=\lim_{x\to0}|x|^{\frac12}\sin\frac1x=0=f(0)$$ 故 $f(x)$ 在 $x=0$ 处连续。 ### 📝 例题 2 **【题目】**:设函数 $f(x)=\begin{cases}\dfrac{1-e^{\tan x}}{\arcsin\dfrac{x}{2}},& x>0\\[10pt] ae^{2x},& x\leq 0\end{cases}$ 在 $x=0$ 处连续,则 $a=$ ____。 **【解析】**:由题设,$f(x)$ 在 $x=0$ 两侧表达式不同。 $$\lim_{x\to0^-}f(x)=\lim_{x\to0^-}ae^{2x}=a,\qquad f(0)=a$$ $$\lim_{x\to0^+}f(x)=\lim_{x\to0^+}\frac{1-e^{\tan x}}{\arcsin\dfrac{x}{2}}=\lim_{x\to0^+}\frac{-x}{\dfrac{x}{2}}=-2$$ 当 $a=-2$ 时,$f(x)$ 在 $x=0$ 处连续。 > 📌 **[说明]**:原图此处紧接第 1 部分,未另写小节标题;以下 (1)(2) 按原图编号保留。 ### (1) 任意 $x_0\in(a,b)$,$f(x)$ 在 $x=x_0$ 处连续,称 $f(x)$ 在 $(a,b)$ 连续。 ### (2) 任意 $x_0\in(a,b)$,$f(x)$ 在 $x=x_0$ 处连续,且 $$\lim_{x\to a^+}f(x)=f(a),\qquad \lim_{x\to b^-}f(x)=f(b)$$ 称 $f(x)$ 在 $[a,b]$ 连续。 > 📌 **[知识点]**(原图红字 [注2],右侧配两个小箭头示意): > $\lim\limits_{x\to x_0^-}f(x)=f(x_0)$,称 $f(x)$ 在 $x=x_0$ 处**左连续**; > $\lim\limits_{x\to x_0^+}f(x)=f(x_0)$,称 $f(x)$ 在 $x=x_0$ 处**右连续**。 ## 2. 间断点 > 📌 **[知识点]**(原图蓝字,位于标题右侧):(不连续点)$\lim\limits_{x\to x_0}f(x)\neq f(x_0)$  > 图像特征:从左至右依次为——可去(曲线有空洞,另有点补出)、跳跃(左右两段高度不同)、无穷($x\to x_0$ 时函数值趋于 $\pm\infty$,有竖直渐近线)、振荡(曲线在 $x_0$ 附近无限密集振荡)。 ### (1)第一类间断点 $\lim\limits_{x\to x_0^-}f(x)$ 和 $\lim\limits_{x\to x_0^+}f(x)$ 都存在。 - 若 $\lim\limits_{x\to x_0^-}f(x)=\lim\limits_{x\to x_0^+}f(x)$,称 $x_0$ 为**可去间断点**。 $f(x)=\dfrac{\sin x}{x}\ (x\neq 0)$  > 图像特征:曲线在 $x=0$ 处有空洞,极限为 1;补定义 $f(0)=1$ 后即连续。 故补充定义后 $$f(x)=\begin{cases}\dfrac{\sin x}{x},& x\neq 0\\[6pt] 1,& x=0\end{cases}$$ $f(x)$ 在 $x=0$ 连续。 - 若 $\lim\limits_{x\to x_0^-}f(x)\neq\lim\limits_{x\to x_0^+}f(x)$,称 $x_0$ 为**跳跃间断点**。 $g(x)=[x]$ ![图4:取整函数 $y=[x]$ 的阶梯图](images/s08-fig4-floor.svg) > 图像特征:每两个相邻整数之间为水平线段,左端空心、右端实心;在每个整数点处左右极限相差 1,均为跳跃间断点。 ### (2)第二类间断点 $\lim\limits_{x\to x_0^-}f(x)$ 和 $\lim\limits_{x\to x_0^+}f(x)$ 至少有一个不存在。 - $\lim\limits_{x\to x_0^-}f(x)=\infty$ 或 $\lim\limits_{x\to x_0^+}f(x)=\infty$,称 $x_0$ 为**无穷间断点**。 $h(x)=\dfrac1x\ (x\neq 0)$  > 图像特征:$x\to0^\pm$ 时函数值分别趋于 $\mp\infty$,$y$ 轴为竖直渐近线。 - $\lim\limits_{x\to x_0}\sin\dfrac1x$ 振荡,称 $x_0=0$ 是**振荡间断点**。 $R(x)=\sin\dfrac1x\ (x\neq 0)$  > 图像特征:$x\to0$ 时曲线在 $[-1,1]$ 内无限次振荡,极限不存在。 > 📌 **[知识点]**(原图红字 [注]): > (1)分母为零或定义不明的点 $\to$ 间断点; > (2)由 $\lim\limits_{x\to x_0^-}f(x)$、$\lim\limits_{x\to x_0^+}f(x)$ $\to$ 判断间断点类型。 ### 📝 例题 3 **【题目】**:求函数 $f(x)=\dfrac{x^2-2x}{|x|(x^2-4)}$ 的间断点,并确定其类型。 **【解析】**:由题设,$x=0,\ x=2,\ x=-2$ 是间断点。 (1)当 $x=0$ 时, $$f(0-0)=\lim_{x\to0^-}\frac{x(x-2)}{|x|(x-2)(x+2)}=-\frac12$$ $$f(0+0)=\lim_{x\to0^+}\frac{x(x-2)}{|x|(x-2)(x+2)}=\frac12$$ > 💡 **[旁注]**:跳跃间断点(位置:原图该段左侧,红字)。 (2)当 $x=2$ 时, $$f(2-0)=\lim_{x\to2^-}\frac{x(x-2)}{|x|(x-2)(x+2)}=\frac14$$ $$f(2+0)=\lim_{x\to2^+}\frac{x(x-2)}{|x|(x-2)(x+2)}=\frac14$$ > 💡 **[旁注]**:可去间断点(位置:原图该段左侧,红字)。 (3)当 $x=-2$ 时, $$f(-2-0)=\lim_{x\to-2^-}\frac{x(x-2)}{|x|(x-2)(x+2)}=+\infty$$ $$f(-2+0)=\lim_{x\to-2^+}\frac{x(x-2)}{|x|(x-2)(x+2)}=\infty$$ > 💡 **[旁注]**:无穷间断点(位置:原图该段左侧,红字)。 > ⚠️ **[智能体A注]**:原笔记第二行只写作 $\infty$;严格说 $x\to-2^+$ 时 $x+2>0$、$x/|x|=-1$,应为 $-\infty$。结论(无穷间断点)不受影响。 ### 📝 例题 4 **【题目】**:函数 $f(x)=\dfrac{x-x^3}{\sin\pi x}$ 的可去间断点。 **【解析】**:由题设,$x=0,\ x=\pm1,\ \pm2,\ \cdots$ 是间断点。 (1)$\lim\limits_{x\to0}f(x)=\lim\limits_{x\to0}\dfrac{x(1-x^2)}{\sin\pi x}=\lim\limits_{x\to0}\dfrac{x(1-x^2)}{\pi x}=\dfrac1\pi$,$x=0$ 可去间断点。 (2)$\lim\limits_{x\to1}f(x)=\lim\limits_{x\to1}\dfrac{x-x^3}{\sin\pi x}=\lim\limits_{x\to1}\dfrac{1-3x^2}{\pi\cos\pi x}=\dfrac2\pi$,$x=1$ 可去间断点。 (3)$\lim\limits_{x\to-1}f(x)=\lim\limits_{x\to-1}\dfrac{x-x^3}{\sin\pi x}=\lim\limits_{x\to-1}\dfrac{1-3x^2}{\pi\cos\pi x}=\dfrac2\pi$,$x=-1$ 可去间断点。 (4)当 $x=\pm2,\ \pm3,\ \cdots$ 是无穷间断点。 ### 📝 例题 5 **【题目】**:设函数 $f(x)=\lim\limits_{n\to\infty}\dfrac{1+x}{1+x^{2n}}$,讨论函数 $f(x)$ 的间断点,其结论为( ) - (A) 不存在间断点 - (B) 存在间断点 $x=1$ - (C) 存在间断点 $x=0$ - (D) 存在间断点 $x=-1$ > 💡 **[旁注]**(蓝字,位于题干下方):$f(x)=\lim\limits_{n\to\infty}g(x,n)=g(x,\infty)$ —— 先固定 $x$,再取极限($n\to\infty$)。 **【解析】**:由题设 $$f\!\left(\frac12\right)=\lim_{n\to\infty}\frac{1+\frac12}{1+\left(\frac12\right)^{2n}}=1+\frac12;\qquad f(2)=\lim_{n\to\infty}\frac{1+2}{1+2^{2n}}=0$$ 当 $|x|<1$ 时,$f(x)=\lim\limits_{n\to\infty}\dfrac{1+x}{1+x^{2n}}=1+x$; 当 $x=1$ 时,$f(1)=\lim\limits_{n\to\infty}\dfrac{1+1}{1+1}=1$; 当 $x=-1$ 时,$f(-1)=\lim\limits_{n\to\infty}\dfrac{1+(-1)}{1+1}=0$; 当 $|x|>1$ 时,$f(x)=\lim\limits_{n\to\infty}\dfrac{1+x}{1+x^{2n}}=0$。 $$\therefore\ f(x)=\begin{cases}1+x,&|x|<1\\[4pt] 1,& x=1\\[4pt] 0,& x=-1\ \text{或}\ |x|>1\end{cases}$$ > 📌 **[知识点]**(原图红字 [注]): > $$\lim_{n\to\infty}x^{2n}=\begin{cases}0,&|x|<1\\[4pt] 1,&|x|=1\\[4pt] +\infty,&|x|>1\end{cases}$$  > 图像特征:$(-1,1)$ 上为直线 $y=1+x$;$x=1$ 处左极限为 2(空心点)、函数值为 1(实心点);$|x|>1$ 时恒为 0。$x=-1$ 处左右极限与函数值同为 0,连续。 > 💡 **[旁注]**(蓝字,位于图右侧):$x=1$ 是跳跃间断点。 故 $f(x)$ 仅在 $x=1$ 处间断,选 **(B)**。 ## 5. 有界闭区间连续函数的性质 > 📌 **[说明]**:原图小节编号为 1、2、5(缺 3、4),此处照原编号保留。 > 💡 **[旁注]**(蓝字,位于标题右侧):有界闭区间 $\to [a,b]$ 设 $f(x)$ 在 $[a,b]$ 连续,则 ### (1)最值定理 有界闭区间上的连续函数 $f(x)$,有最大值 $M$ 和最小值 $m$ $$f(x_0)=M,\quad x_0\in[a,b];\qquad f(x_1)=m,\quad x_1\in[a,b]$$  > 图像特征:曲线在 $[a,b]$ 上连续,最高点取到最大值 $M$,最低点取到最小值 $m$(虚线标出)。 ### (2)有界定理 有界闭区间上连续函数 $f(x)$ 必有界($m\leq f(x)\leq M$)。 ### (3)零点定理 有界闭区间上连续函数 $f(x)$,满足 $f(a)\cdot f(b)<0$,则存在 $\xi\in(a,b)$ 使得 $f(\xi)=0$。  > 图像特征:曲线由 $x=a$ 处的负值连续变到 $x=b$ 处的正值,必在 $(a,b)$ 内穿过 $x$ 轴,交点横坐标为 $\xi$。 ### (4)介值定理 有界闭区间 $[a,b]$ 上的连续函数 $f(x)$ 有最大值 $M$ 和最小值 $m$,且 $m\leq C\leq M$,则存在 $\xi$ 使 $f(\xi)=C$($a\leq\xi\leq b$)。  > 图像特征:水平线 $y=C$ 位于 $m$ 与 $M$ 之间,与连续曲线必有交点 $(\xi,C)$。 > 📌 **[知识点]**(原图红字 [注]):方程根的所在 $\to$ 零点定理;方程根的唯一性 $\to$ 单调性。 ### 📝 例题 6 **【题目】**:方程 $x^n+nx-1=0$,其中 $n$ 为正整数,证明此方程存在唯一正实根 $x_n$。 **【解析】**: 证明:设 $f(x)=x^n+nx-1$ 在 $[0,+\infty)$ 连续 $$f(0)=-1<0,\qquad f(1)=1+n-1=n>0$$ 由零点定理,至少存在一个 $x_n\in(0,1)$,使得 $$f(x_n)=x_n^n+nx_n-1=0$$ 又由于 $f'(x)=nx^{n-1}+n>0$,则 $f(x)$ 单调增, 故 $f(x)$ 有唯一的正实根 $x_n$。 > 📌 **[知识点]**(原图红字 [注3]):初等函数在定义域内都是连续的。  > 图像特征:$x<0$ 时 $f(x)<0$ 且无零点;$f(0)=-1<0$,$f(1)=n>0$,曲线在 $(0,1)$ 内单调上升并与 $x$ 轴唯一相交。 ### 📝 例题 7 **【题目】**:证明方程 $x^n+x^{n-1}+\cdots+x=1$($n$ 为大于 1 的整数)在区间 $\left(\dfrac12,1\right)$ 有且仅有一个实根。 **【解析】**: 证明:设 $f(x)=x^n+x^{n-1}+\cdots+x-1$ 在 $\left[\dfrac12,1\right]$ 连续,且 $$f\!\left(\frac12\right)=\frac{1}{2^n}+\frac{1}{2^{n-1}}+\cdots+\frac12-1=\frac{\frac12\left(1-\frac{1}{2^n}\right)}{1-\frac12}-1=-\frac{1}{2^n}<0$$ $$f(1)=1+1+\cdots+1-1=n-1>0$$ 由零点定理,至少存在 $x_n\in\left(\dfrac12,1\right)$ 使得 $$f(x_n)=x_n^n+x_n^{n-1}+\cdots+x_n-1=0$$ 又由于 $f'(x)=nx^{n-1}+(n-1)x^{n-2}+\cdots+1>0$,则 $f(x)$ 单调增, 故 $x_n\in\left(\dfrac12,1\right)$ 是方程的唯一实根。 ### 📝 例题 8 ★ **【题目】**:设 $f(x)$ 在 $[a,b]$ 上连续,且 $a<c<d<b$,证明在 $(a,b)$ 内至少存在一点 $\xi$,使得 $$pf(c)+qf(d)=(p+q)f(\xi)$$ 其中 $p,q$ 为任意正数。 > 💡 **[旁注]**(蓝字,位于题目下方,标"加权平均"): > $$f(\xi)=\frac{pf(c)+qf(d)}{p+q}=\frac{p}{p+q}f(c)+\frac{q}{p+q}f(d)$$ **【解析】**: 证明:$f(x)$ 在 $[c,d]$ 连续,由最值定理,存在最大值 $M$、最小值 $m$,则 $$m\leq\frac{pf(c)+qf(d)}{p+q}\leq M$$ 即 $$(p+q)m\leq pf(c)+qf(d)\leq(p+q)M$$ 又由介值定理,存在 $\xi\in[c,d]\subset(a,b)$,使得 $$f(\xi)=\frac{pf(c)+qf(d)}{p+q}$$ ---支持与分享
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