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高等数学·1 函数、极限与连续

考纲内容

  • 函数的概念与特性(有界性、单调性、奇偶性、周期性)
  • 反函数、复合函数、隐函数、初等函数的概念
  • 函数极限的定义(ε-δ 语言)
  • 左极限与右极限,极限存在的充要条件
  • 无穷小量与无穷大量,无穷小量的比较
  • 极限的运算法则,两个重要极限
  • 等价无穷小替换
  • 函数的连续性,间断点的分类
  • 连续函数的性质(闭区间上的最值定理、介值定理)

一、函数的概念与特性

1. 函数的定义

xy 是两个变量,D 是一个给定的数集,若对于每一个 xD,按照一定的法则 f,有一个确定的 y 值与之对应,则称 yx函数,记作 y=f(x),称 x 为自变量,y 为因变量,D定义域{f(x)|xD}值域

铅直画线法:若任一条铅直线与 f(x) 的图像至多有一个交点,则 f(x)单值函数

2. 反函数

设函数 y=f(x) 定义域为 D,值域为 R。若对每一个 yR,存在唯一的 xD 使 y=f(x) 成立,则这个新函数 x=f1(y) 称为 y=f(x)反函数

  • 水平画线法:任一水平线与图像至多一个交点,则有反函数。
  • 严格单调函数必有反函数(充分条件)。
  • 重要关系:f[f1(x)]=xf1[f(x)]=x

三个重要函数(常考)

  • y=ln(x+x2+1)(反双曲正弦),是奇函数,其反函数为 y=exex2
  • y=exex2(双曲正弦),奇函数
  • y=ex+ex2(双曲余弦),偶函数,最小值为1

3. 复合函数

y=f(u) 定义域为 D1u=g(x)D 上有定义且 g(D)D1,则 y=f[g(x)] 称为复合函数u 为中间变量。

分段函数的复合:先确定内层函数的值域,再对应外层函数的分段条件。

4. 函数的四种特性

(1)有界性

f(x) 在区间 I 上有定义,若 M>0,使对任一 xI,有 |f(x)|M,则称 f(x)I有界

注意:讨论有界性必须指明区间。如 y=1x(2,+) 内有界,在 (0,2) 内无界。

(2)单调性

对区间 I 上任意 x1<x2,恒有 f(x1)<f(x2),则称 f(x)I严格单调递增

定义法等价形式(常用于证明):

f(x) 严格单调递增(x1x2)[f(x1)f(x2)]>0,x1x2I

(3)奇偶性

定义域 D 必须关于原点对称为前提。

  • 偶函数f(x)=f(x),图像关于 y 轴对称
  • 奇函数f(x)=f(x),图像关于原点对称

常用结论

  • f(x)+f(x) 必为偶函数;f(x) - f(-x) 必为奇函数
  • 任何函数 =f(x)+f(x)2(偶部)+f(x)f(x)2(奇部)
  • 内偶则偶,内奇同外:f[φ(x)] 中,若 φ(x) 为偶,则复合为偶;若 φ(x) 为奇,则复合奇偶性与 f 相同
  • f(x)f(x)f(x) 奇(求导一次,奇偶性互换)
  • f(x)0xf(t)dt
  • f(x) 在对称区间上连续,则奇函数在 x=0 处必有 f(0)=0

(4)周期性

T>0,使对任意 xDf(x+T)=f(x),则 f(x) 为以 T 为周期的周期函数

重要结论:

  • f(x)T 为周期,则 f(ax+b)T|a| 为周期
  • f(x) 是以 T 为周期的可导函数,则 f'(x) 也以 T 为周期
  • f(x) 连续且以 T 为周期,则 0xf(t)dtT 为周期的充要条件0Tf(x)dx=0

二、函数极限的定义

1. 邻域

  • δ 邻域U(x0,δ)={x||xx0|<δ}
  • 去心邻域U˚(x0,δ)={x|0<|xx0|<δ}
  • 左/右邻域U(x0,δ)={x|0<x0x<δ}U+(x0,δ)={x|0<xx0<δ}

2. 函数极限(ε-δ 定义)

limxx0f(x)=Aε>0,δ>0, 当 0<|xx0|<δ 时,有 |f(x)A|<ε

极限与函数值无关xx0 时,xx0,极限值 Af(x0) 是否存在无关。

x 时的极限(ε-X 定义):

limxf(x)=Aε>0,X>0, 当 |x|>X 时,有 |f(x)A|<ε

3. 左极限与右极限

limxx0f(x)=A,limxx0+f(x)=A+

极限存在的充要条件

limxx0f(x)=Alimxx0f(x)=limxx0+f(x)=A

典型需要分左右极限的情形

  • e1xa 型(e+=+e=0
  • |xa| 的分式
  • arctan1xx0+ 结果 π2x0 结果 π2
  • 分段函数在分段点处

三、极限的运算法则

1. 四则运算法则

limf(x)=Alimg(x)=B,则:

lim[f(x)±g(x)]=A±B,limf(x)g(x)=AB,limf(x)g(x)=AB (B0)

注意:若 f(x)g(x) 极限不存在,不能拆开;必须先做实数运算,化简后再求极限。

特殊情形

  • limf(x)=0g(x) 有界(不要求极限存在),则 limf(x)g(x)=0
  • limf(x)=A0limg(x) 不存在,则 limf(x)g(x) 不存在

2. 数列极限(ε-N 定义)

设数列 {xn},若 Aε>0NN+,使当 n>N 时,有 |xnA|<ε,则称数列 {xn} 的极限为 A,记作:

limnxn=AxnA (n)

数列极限与函数极限的关系(海涅定理)

limxx0f(x)=A对任意趋于 x0 的数列 {xn} (xnx0),均有 limnf(xn)=A

海涅定理的逆用:若能找到两个不同的趋于 x0 的数列,使对应函数值趋于不同极限,则 limxx0f(x) 不存在。

3. 极限存在准则 I:夹逼定理(三明治定理)

δ>0,对 0<|xx0|<δ,有 g(x)f(x)h(x),且 limg(x)=limh(x)=A,则:

limf(x)=A

常用于含绝对值、取整函数的极限。

4. 极限存在准则 II:单调有界收敛准则

数列版:单调递增有上界(或单调递减有下界)的数列必有极限。

函数版:在 x0 某侧单调有界的函数极限存在。

典型应用:证明递推数列 xn+1=f(xn) 的极限存在,再令 n 求其值。

:设 x1=2xn+1=2+xn,证明极限存在并求值。

解题步骤:① 用数学归纳法证明 xn<2(有上界);② 证明 xn+1>xn(单调递增);③ 由单调有界准则知极限 L 存在;④ 令 nL=2+L L=2

5. 两个重要极限

limx0sinxx=1limx(1+1x)x=e

第二个重要极限的变形:

limx0(1+x)1x=e,limα0(1+α)1α=e

使用技巧:凡遇到 1 型,将底数写为 1+αα0),则:

(1+α)1α(α指数)=elim(指数α)

四、无穷小量与无穷大量

1. 无穷小量

limf(x)=0,则称 f(x)无穷小量(注意:无穷小不是很小的数,而是以0为极限的变量)。

无穷小量的比较(设 α,β 在同一极限过程下均为无穷小量):

结论条件含义
αβ高阶无穷小limαβ=0α 趋于0更快,记 α=o(β)
αβ低阶无穷小limαβ=
αβ同阶无穷小limαβ=c0
αβ等价无穷小limαβ=1αβ
αβk 无穷小limαβk=c0

2. 常用等价无穷小(x0 时)

sinxx,tanxx,arcsinxx,arctanxx1cosxx22,ex1x,ln(1+x)x(1+x)α1αx,ln(x+x2+1)x

等价无穷小替换法则:在极限的乘除因子中可以替换,但加减时不可直接替换(需展开到同阶)。

典型错误limx0tanxsinxx3 不能将分子中 tanxsinx 分别替换为 x,必须展开到 x3 阶。

3. 无穷大量

|f(x)|+,则称 f(x)无穷大量

无穷小量与无穷大量的关系:若 α0α0,则 1α;反之亦然。


五、未定式的计算方法

1. 各类型未定式的处理

类型处理方法
00, 等价无穷小替换、洛必达法则、泰勒公式
0化为 01/1/0
通分、有理化、提公因子
1elimln,利用第二重要极限
00, 0elimln

2. 洛必达法则

00 型,且 limf(x)g(x) 存在(或为 ±),则:

limf(x)g(x)=limf(x)g(x)

使用条件:分子分母均趋于0或 ;分子分母均可导;所求极限要存在(若不存在,不能反推原极限不存在)。

3. 泰勒公式(麦克劳林展开,常用到 xn 阶)

ex=1+x+x22!+x33!+sinx=xx33!+x55!,cosx=1x22!+x44!ln(1+x)=xx22+x33,(1+x)α=1+αx+α(α1)2!x2+11x=1+x+x2+ (|x|<1),11+x=1x+x2 (|x|<1)

六、函数的连续性与间断点

1. 连续性的定义

limxx0f(x)=f(x0),则称 f(x)x0连续

等价地,f(x)x0 连续 limΔx0Δy=0(增量趋于0)。

2. 间断点的分类

第一类间断点(左右极限均存在):

  • 可去间断点limxx0f(x)=limxx0+f(x),但极限 f(x0)f(x0) 无定义
  • 跳跃间断点limxx0f(x)limxx0+f(x)

第二类间断点(至少一侧极限不存在):

  • 无穷间断点limxx0f(x)=,如 f(x)=1xx=0
  • 振荡间断点:极限振荡不存在,如 f(x)=sin1xx=0

3. 连续函数的性质

闭区间上连续函数的三大定理

  • 有界性与最值定理f(x)[a,b] 上连续,则 f(x) 有界,且能取到最大值 M 和最小值 m
  • 介值定理f(x)[a,b] 上连续,f(a)f(b),则对任意介于 f(a)f(b) 之间的数 cξ(a,b) 使 f(ξ)=c
  • 零点定理:若 f(a)f(b)<0,则 ξ(a,b) 使 f(ξ)=0(介值定理的特例)

七、导数几何意义

y=f(x) 图像在点 (x0,f(x0)) 处的:

  • 切线方程:yf(x0)=f(x0)(xx0)
  • 法线方程:yf(x0)=1f(x0)(xx0)

重难点提示

函数的单射与单调性等价

定义在某区间上的连续函数单射(一一映射)的充要条件是:它是严格单调的。

此性质可用于判断复合函数 f(f(x)) 的单调性,或快速证明某些涉及复合结构的函数方程有无实根,例如 f(f(x))=ex

极限中的常见陷阱

  • e1xa 型在 xa 时必须分左右讨论:xa+ 时为 +xa 时为 0
  • limx(1+1x)x 只有在 x+x 时均等于 e,所以 x 时该极限 =e(此时两侧相同)
  • 洛必达前必须确认是 00 型,否则违规

考点汇总(来自 11408MindMap)

1. 基础

  • 充要条件
  • 归纳法
  • 多项式乘除法*
  • 取整函数*:x1<[x]x<[x]+1
  • 不等式
    • 绝对值不等式*
    • 基本不等式
    • 柯西不等式*
    • 均值不等式
  • 三角函数基本公式
  • 等差、等比数列
  • 极坐标和参数方程
  • 平移和伸缩变换

2. 函数

  • 函数性质:单调性、奇偶性、周期性、有界性、保号性
  • 函数的自变量变换*
  • 极限
    • 无穷小的比阶
    • 泰勒公式
    • 洛必达法则
    • 两个重要极限
  • 间断点
    • 第一类间断点:可去间断点、跳跃间断点
    • 第二类间断点:无穷间断点、振荡间断点

3. 数列极限

  • 单调有界准则
  • 夹逼定理
  • 定积分定义
  • (带拉格朗日中值定理的)压缩映射原理

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