基本运算法则

极限的基本运算法则是计算极限的基础工具,掌握这些法则可以大大简化极限的计算过程。

前提条件

设 lim⁡f(x)=A\lim f(x) = A,lim⁡g(x)=B\lim g(x) = B,其中 AA 和 BB 都是有限数。

四则运算法则

加法法则

加法法则

lim⁡[f(x)±g(x)]=A±B\lim [f(x) \pm g(x)] = A \pm B

即:两个函数和(或差)的极限等于它们极限的和(或差)。

证明
  1. 由于 lim⁡f(x)=A\lim f(x) = A,对于任意 ε>0\varepsilon > 0,存在 δ1>0\delta_1 > 0,使得当 0<∣x−x0∣<δ10 < \vert x - x_0 \vert < \delta_1 时,∣f(x)−A∣<ε2\vert f(x) - A \vert < \frac{\varepsilon}{2}

  2. 由于 lim⁡g(x)=B\lim g(x) = B,对于任意 ε>0\varepsilon > 0,存在 δ2>0\delta_2 > 0,使得当 0<∣x−x0∣<δ20 < \vert x - x_0 \vert < \delta_2 时,∣g(x)−B∣<ε2\vert g(x) - B \vert < \frac{\varepsilon}{2}

  3. 取 δ=min⁡{δ1,δ2}\delta = \min\{\delta_1, \delta_2\},则当 0<∣x−x0∣<δ0 < \vert x - x_0 \vert < \delta 时: ∣f(x)+g(x)−(A+B)∣≤∣f(x)−A∣+∣g(x)−B∣<ε2+ε2=ε\vert f(x) + g(x) - (A + B) \vert \leq \vert f(x) - A \vert + \vert g(x) - B \vert < \frac{\varepsilon}{2} + \frac{\varepsilon}{2} = \varepsilon

  4. 因此 lim⁡[f(x)+g(x)]=A+B\lim [f(x) + g(x)] = A + B

符号说明
符号类型读音/说明在本文中的含义
ε\varepsilon希腊字母Epsilon(伊普西隆)表示一个任意小的正数
δ\delta希腊字母Delta(德尔塔)表示与 ε\varepsilon 相关的正数

乘法法则

乘法法则

lim⁡[f(x)⋅g(x)]=A⋅B\lim [f(x) \cdot g(x)] = A \cdot B

即:两个函数积的极限等于它们极限的积。

证明

证明思路:

  1. 利用恒等式:f(x)⋅g(x)−A⋅B=[f(x)−A]⋅g(x)+A⋅[g(x)−B]f(x) \cdot g(x) - A \cdot B = [f(x) - A] \cdot g(x) + A \cdot [g(x) - B]

  2. 由于 lim⁡g(x)=B\lim g(x) = B,所以 g(x)g(x) 在 x0x_0 的某个邻域内有界

  3. 利用无穷小的性质和有界函数与无穷小的积仍是无穷小

  4. 得出 lim⁡[f(x)⋅g(x)]=A⋅B\lim [f(x) \cdot g(x)] = A \cdot B

推广:lim⁡[c⋅f(x)]=c⋅A\lim [c \cdot f(x)] = c \cdot A(其中 cc 为常数)

除法法则

除法法则

lim⁡f(x)g(x)=AB\lim \frac{f(x)}{g(x)} = \frac{A}{B}(其中 B≠0B \neq 0)

即:两个函数商的极限等于它们极限的商(分母极限不为零)。

证明

证明思路:

  1. 先证明 lim⁡1g(x)=1B\lim \frac{1}{g(x)} = \frac{1}{B}

  2. 由于 B≠0B \neq 0,所以 g(x)g(x) 在 x0x_0 的某个邻域内不为 0

  3. 利用乘法法则:lim⁡f(x)g(x)=lim⁡f(x)⋅lim⁡1g(x)=A⋅1B=AB\lim \frac{f(x)}{g(x)} = \lim f(x) \cdot \lim \frac{1}{g(x)} = A \cdot \frac{1}{B} = \frac{A}{B}

幂运算法则

幂运算法则

lim⁡[f(x)]n=An\lim [f(x)]^n = A^n(其中 nn 为正整数)

即:函数幂的极限等于极限的幂。

推论

推广:lim⁡[f(x)]g(x)=AB\lim [f(x)]^{g(x)} = A^B(需要满足一定条件)

应用例子

例子 1

计算 lim⁡x→2(x2+3x−1)\lim_{x \to 2} (x^2 + 3x - 1)

解: lim⁡x→2(x2+3x−1)=lim⁡x→2x2+lim⁡x→23x−lim⁡x→21=4+6−1=9\lim_{x \to 2} (x^2 + 3x - 1) = \lim_{x \to 2} x^2 + \lim_{x \to 2} 3x - \lim_{x \to 2} 1 = 4 + 6 - 1 = 9

例子 2

计算 lim⁡x→1x2+2xx+1\lim_{x \to 1} \frac{x^2 + 2x}{x + 1}

解: lim⁡x→1x2+2xx+1=lim⁡x→1(x2+2x)lim⁡x→1(x+1)=1+21+1=32\lim_{x \to 1} \frac{x^2 + 2x}{x + 1} = \frac{\lim_{x \to 1} (x^2 + 2x)}{\lim_{x \to 1} (x + 1)} = \frac{1 + 2}{1 + 1} = \frac{3}{2}

练习题

练习 1

计算极限 lim⁡x→3(2x2−5x+1)\lim_{x \to 3} (2x^2 - 5x + 1)。

参考答案(1 个标签)
极限运算法则

解题思路:利用加法法则和幂运算法则。

详细步骤:

  1. lim⁡x→3(2x2−5x+1)=2lim⁡x→3x2−5lim⁡x→3x+lim⁡x→31\lim_{x \to 3} (2x^2 - 5x + 1) = 2 \lim_{x \to 3} x^2 - 5 \lim_{x \to 3} x + \lim_{x \to 3} 1

  2. =2⋅9−5⋅3+1=18−15+1=4= 2 \cdot 9 - 5 \cdot 3 + 1 = 18 - 15 + 1 = 4

答案:极限值为 4。

练习 2

计算极限 lim⁡x→2x3+1x2−1\lim_{x \to 2} \frac{x^3 + 1}{x^2 - 1}。

参考答案(1 个标签)
极限运算法则

解题思路:利用除法法则。

详细步骤:

  1. lim⁡x→2x3+1x2−1=lim⁡x→2(x3+1)lim⁡x→2(x2−1)\lim_{x \to 2} \frac{x^3 + 1}{x^2 - 1} = \frac{\lim_{x \to 2} (x^3 + 1)}{\lim_{x \to 2} (x^2 - 1)}

  2. =8+14−1=93=3= \frac{8 + 1}{4 - 1} = \frac{9}{3} = 3

答案:极限值为 3。

练习 3

计算极限 lim⁡x→0sin⁡x+xx\lim_{x \to 0} \frac{\sin x + x}{x}。

参考答案(1 个标签)
极限运算法则

解题思路:利用加法法则和重要极限。

详细步骤:

  1. lim⁡x→0sin⁡x+xx=lim⁡x→0(sin⁡xx+xx)\lim_{x \to 0} \frac{\sin x + x}{x} = \lim_{x \to 0} \left(\frac{\sin x}{x} + \frac{x}{x}\right)

  2. =lim⁡x→0sin⁡xx+lim⁡x→01= \lim_{x \to 0} \frac{\sin x}{x} + \lim_{x \to 0} 1

  3. =1+1=2= 1 + 1 = 2

答案:极限值为 2。


总结

本文出现的符号

符号类型读音/说明在本文中的含义
ε\varepsilon希腊字母Epsilon(伊普西隆)表示一个任意小的正数
δ\delta希腊字母Delta(德尔塔)表示与 ε\varepsilon 相关的正数
nn数学符号正整数表示正整数
lim⁡\lim数学符号极限表示函数或数列的极限
→\to数学符号趋向于表示变量趋向于某个值
±\pm数学符号加减号表示加法或减法
⋅\cdot数学符号乘号表示乘法

中英对照

中文术语英文术语音标说明
加法法则addition rule/əˈdɪʃən ruːl/两个函数和的极限等于极限的和
乘法法则multiplication rule/ˌmʌltɪplɪˈkeɪʃən ruːl/两个函数积的极限等于极限的积
除法法则division rule/dɪˈvɪʒən ruːl/两个函数商的极限等于极限的商
幂运算法则power rule/ˈpaʊə ruːl/函数幂的极限等于极限的幂
有界函数bounded function/ˈbaʊndɪd ˈfʌŋkʃən/函数值在某个范围内的函数