§1.6  极限运算法则

极限语言只能证明极限,不能求极限。对于简单函数的极限问题,可以先用观察法看出其极限,再用极限语言加以证明,但对于一些形式复杂的函数,就不太容易观察出它的极限。

因此,研究函数极限的运算法则,便十分的必要。

声明

1、在下面的讨论中,只给出函数极限的运算法则,这些法则可相应地移植到数列极限。

2、在下面的讨论中,若下面未标明自变量的变化趋势,表明对均成立的。

【定理一】有限无穷小之和仍是无穷小。

【证明】考虑两个无穷小之和的情形。

 是当 时无穷小, 而

依无穷小的定义, 有:

只要取,有

这表明 是当  时的无穷小。

必须指出:  无限个无穷小之和不一定是无穷小。

【定理二】有界函数与无穷小的乘积仍是无穷小。

【证明】设函数 的某一邻域 内有界

 是当 时的无穷小。

下面证明    时的无穷小

依函数有界的定义,有:

依无穷小的定义, 有:

  从而

这表明,  时的无穷小。

【推论一】常数与无穷小的乘积是无穷小。

【推论二】有限无穷小的乘积是无穷小。

有一个问题: 无限多个无穷小的乘积是否为无穷小呢?

表面上,这一问题的答案是显然的,即:是无穷小。 其实却不然,因为无限多个数的乘法并没有定义。即: 我们并不会作无限多个数的乘法运算

【定理三】(极限运算的分配律)

,则 存在,且

【证明】因 由极限存在与无穷小的关系定理有:

     (  是无穷小 )

于是     

由定理1是无穷小;

由定理2的推论1 是无穷小,

再由定理1是无穷小;

总之,是无穷小。

利用极限与无穷小的关系有

高等数学中还有许多类似的性质,为此,我们对这一性质专门给出几点注解。

(1)均存在,则 存在。

(2)、若存在,不存在,则不存在。

【反证法】记 假设  存在

   

由于    均存在,据【定理三】有:

 亦存在。 这与条件产生矛盾,故 不存在。

(3)  均不存在, 可能存在, 也可能不存在。

【反例】设   ,显然, 均不存在

但是                    存在,

                        不存在

【定理四】

,则  存在,且

定理四也有与定理三完全相同的四点注解,它还有两个重要的推论。

【推论一】

存在,为常数,

【推论二】

存在,为正整数,则

【定理五】

,且,则 存在,且

对商的极限运算法则, 应注意条件:

(1)、极限  均存在。

(2)、作分母的函数  的极限

当这两个条件中有一个不满足时, 不可使用商的极限运算法则。 这一点在初学时很容易被忽视。

【定理六】

如果  

【证明】 作函数

由极限的保号性有:        

  

必须指出:即使不等式  严格成立, 结论仍然是,不可以认为是

例如:表示圆的内接、外接正n边形的面积, 表示圆的面积。

显然, ,但

运用上述结论,可帮助我们求大量的函数极限,大大地提高了求极限的能力,也避免了使用繁冗复杂的极限语言。当然,这些结论的获得得益于极限的精确语言。

首先,我们证明一个最基础,也最有用的结论:

 是任意实数,则

【例1

此极限可作一般性的推广:

【例2    

可对此例作一般性的推广:

 是有理分式函数, 的多项式,若

【证明】由定理5与例1

【例3  

【例4  

对于有理分式函数,当时,不能使用商的极限法则来求极限。例题三、例题四给出了解这类问题的两种基本方法: