极限
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求极限的方法
1、利用极限的四则运算和幂指数的运算法则
2、利用函数的连续性
3、利用变量替换
4、利用等价无穷小
5、利用洛必达法则
6、分别求左右极限
7、把数列极限转化为函数极限
8、利用夹逼定理(极限存在两定理之一)
1)利用简单的放大、缩小函数法
2)利用不等式的性质进行放大或缩小【根据定义不等式求极限】
3)对积分的极限可以利用积分的性质进行放大缩小
9、利用递归数列先证明极限的存在(常用单调数列必有界),
再利用递归关系求出极限。
10、利用定积分求和式求极限
11、利用泰勒公式
12、利用导数定义求极限
附加:
1、 利用函数极限求数列极限 Example:
(1) n n
n ln lim +∞
→ 解:记:x x
n n x n ln ln lim lim +∞→+∞→= =0。
极限的六种求法1、代入法作者:教资备考群(865061525)之管理员,—━☆知浅づ如果自变量所趋近的值,能使函数有意义,就可以直接代入函数表达式中。
注:能使函数有意义,就是这个自变量在函数的定义域内。
【例】limx→2 x2x3 + 1− 2x + 3=( )。
2解:x2 − 2x + 3 = (x − 1)+ 2 ≥ 2 ≠ 0可见该函数的定义域是x3 + 1 R,所以可以直接将8 + 1x = 2 代入x3 + 1 。
x2 − 2x + 3limx→2 x2− 2x + 3 = limx→24 − 4 + 3= 3。
2、约公因子法如果自变量所趋近的值,使得函数没有意义。
可以考虑约公因子,将其约去。
因此经常运用因式分解。
【例】limx→3x2−x− 6x−3=( ) 。
解:这里发现,该函数的定义域为{x|x ≠ 3}。
如果x → 3,会使得函数没有意义。
因此考虑约公因子。
lim x→3x2−x−6x− 3= limx→3(x− 3)(x + 2)x− 3= lim(x + 2) = 5。
x→30 ⎩ x x x3、最高次幂法当函数是分式形式,且分子、分母都是多项式时,可以使用最高次幂法求极限。
它的原理,就是分子分母同时除以自变量的最高次幂。
这样自变量趋近于无穷大时, 那些比最高次幂低的项,直接就变为 0 了。
最高次幂法也俗称抓大头。
a⎧ ,n = m , a x m + a x m−1 + ⋯ + a⎪b 0lim 0 1 m = x→∞ b 0x n + b 1x n−1 + ⋯ + b n ⎨0,n > m , ⎪∞,n < m 。
【 例 】10x 4 + 6x 3 − x 2 + 3( ) 。
1 limx→∞2x 4 − x 2 − 9x=首先,观察到函数是个分式的形式。
其次,分子跟分母的最高次幂都是 4;最后,求极限直接用最高次幂法,原式 = 10= 5。
2那么,不妨拿这个例子,验证一下最高次幂法的原理。
极限的定义和性质极限是数学分析的一个重要概念,用于描述函数在某个点上的特性和趋势。
在数学领域,极限的定义和性质是非常关键的,它在微积分、数列和级数等学科中都有广泛的应用。
本文将探讨极限的定义、性质以及一些常见的极限计算方法。
一、极限的定义1. 函数极限定义给定一个函数 f(x),当自变量 x 接近某个数 a 时,如果存在一个常数 L,使得对于任意给定的正数ε,总能找到一个正数δ,使得当 x 满足 0 < |x-a| < δ 时,都有 |f(x)-L| < ε 成立,那么我们称 L 是函数 f(x) 当x 趋于 a 时的极限,记作:lim[x→a]f(x)=L2. 数列极限定义对于一个数列 {an},如果对于任意给定的正数ε,总能找到一个正整数 N,使得当 n > N 时,都有 |an-L| < ε 成立,那么我们称 L 是数列{an} 的极限,记作:lim[n→∞]n= L二、极限的性质1. 极限唯一性函数的极限是唯一的,也就是说,如果函数 f(x) 当 x 趋于 a 时的极限存在,那么这个极限是唯一确定的。
2. 极限的有界性如果函数 f(x)当 x 趋于 a 时的极限存在且有限,那么函数在 a 的某个邻域内是有界的,即存在正数 M,使得对于所有满足 0 < |x-a| < δ 的x,都有|f(x)| ≤ M 成立。
3. 极限的保号性如果函数 f(x)当 x 趋于 a 时的极限存在且大于 (或小于) 0,那么在 a 的某个邻域内,函数的取值要么大于 (或小于) 0。
4. 极限的四则运算对于两个函数 f(x) 和 g(x),它们当 x 趋于 a 时的极限都存在,那么有以下四则运算规则:- 极限和:lim[x→a](f(x)+g(x))=lim[x→a]f(x)+lim[x→a]g(x)- 极限差:lim[x→a](f(x)-g(x))=lim[x→a]f(x)-lim[x→a]g(x)- 极限积:lim[x→a]f(x)g(x)=lim[x→a]f(x)·lim[x→a]g(x)- 极限商:lim[x→a]f(x)/g(x)=lim[x→a]f(x)/lim[x→a]g(x) (其中lim[x→a]g(x) ≠ 0)5. 极限的复合运算如果函数 f(x)当 x 趋于 a 时的极限存在,并且 g(x) 是 f(x) 的极限存在区间上的一个函数,则复合函数 h(x) = g(f(x)) 当 x 趋于 a 时的极限存在。
求极限的13种方法求极限的方法有很多种,以下列举了常见的13种方法和技巧,以帮助解决各种极限问题。
1.代入法:将极限中的变量代入表达式中,简化计算。
这通常适用于简单的多项式函数。
2.夹逼定理:当一个函数夹在两个趋向于相同极限的函数之间时,函数的极限也趋向于相同的值。
3.式子分解:通过将复杂的函数分解成更简单的部分,可以更容易地计算极限。
4.求导法则:使用导数的性质和规则来计算函数的极限。
这适用于涉及导数的函数。
5.递归关系:如果一个函数的递归关系式成立,可以使用递归关系来计算函数的极限。
6.级数展开:将函数展开成无穷级数的形式,可以使用级数的性质来计算函数的极限。
7.泰勒级数:对于可微的函数,可以通过使用泰勒级数来近似计算函数的极限。
8. 洛必达法则:如果一个函数的极限形式是$\frac{0}{0}$或$\frac{\infty}{\infty}$,可以使用洛必达法则来计算极限。
该法则涉及对分子分母同时求导的操作。
9.极限存在性证明:通过证明一个函数在一些点上的左极限和右极限存在且相等,可以证明函数在该点上的极限存在。
10.收敛性证明:对于一个序列极限,可以通过证明序列是有界且单调递增或单调递减的来证明其极限存在。
11.极限值的判断:根据函数的性质,可以判断函数在一些点上的极限是多少。
12.替换法:通过将变量替换为一个新的变量,可以使函数更容易计算极限。
13.反证法:通过假设极限不存在或不等于一些特定值,来推导出矛盾的结论,从而证明极限存在或等于一些特定值。
这些方法并非完整的极限求解技巧列表,但是它们是最常见和基本的方法。
在实际问题中,可能需要结合使用多种方法来求解复杂的极限。
极限的概念及性质极限是数学中的重要概念之一,它具有深刻的内涵和广泛的应用。
本文将介绍极限的定义、性质以及在数学和物理等领域的应用。
一、极限的定义在数学中,极限是指一个函数或序列在自变量逼近某个确定值时,其函数值或序列项无限接近于一个确定的值。
正式地说,对于函数而言,当自变量趋于某个指定的值时,函数的值趋于某个确定的值;对于序列而言,当项数趋于无穷大时,序列的项趋于某个确定的值。
二、极限的性质1. 唯一性:极限是唯一的,即一个函数或序列只能有一个极限值。
2. 有界性:如果一个函数或序列存在极限,那么它一定是有界的,即其函数值或序列项在一定范围内。
3. 保号性:如果一个函数在某个点的左、右两边的极限存在且不相等,那么这个点就是函数的间断点。
4. 夹逼准则:如果一个函数在某点的左、右两边的极限存在,并且存在另一个函数作为中间函数,这个中间函数在这个点的函数值介于两个边界函数在该点的函数值之间,那么这个点的函数极限也存在且相等。
三、极限的应用极限在数学和物理等领域都有广泛的应用,下面将介绍其中几个重要的应用领域。
1. 微积分微积分是极限的重要应用领域之一。
通过极限的概念,可以定义导数和积分,进而研究函数的变化率、曲线的斜率以及曲线下的面积等重要问题。
微积分的发展对于数学和物理学的发展起到了重要的推动作用。
2. 物理学在物理学中,极限的概念被广泛应用于研究物体的运动、变化以及物理定律的推导等问题。
例如,研究物体的速度、加速度等与时间的关系时,需要使用到极限的概念,从而得出重要的物理方程。
3. 统计学在统计学中,极限定理是统计推断的重要基础。
中心极限定理是指当独立随机变量的和趋于无穷大时,这些随机变量的均值的分布趋近于正态分布。
这一理论在统计推断中起到了重要的作用,使得通过样本数据对总体进行推断成为可能。
4. 工程学在工程学领域,极限的概念被应用于结构力学、电路分析、信号处理等问题中。
例如,通过极限分析结构的荷载承载能力,进行结构设计和优化;在电路分析中,通过极限分析电路的稳定性和性能;在信号处理中,通过极限分析信号的频谱特性等。
极限的公式总结极限是高等数学中的重要概念,它在数学、物理和工程等领域中都有着广泛的应用。
极限的公式可以帮助我们求解一些复杂的问题和优化计算。
在本文中,我们将总结一些常见的极限公式,包括函数极限、无穷极限和级数极限等。
一、函数极限公式1. 一次函数极限:若 f(x) = ax + b(a≠0),则当x→a 时,f(x) 的极限为f(a)=a*a+b。
2. 二次函数极限:若 f(x) = ax² + bx + c(a≠0),则当x→a 时,f(x) 的极限为f(a)=a*a²+b*a+c。
3. 幂函数极限:若 f(x) = x^a(a为实数),则当x→∞ 或x→-∞ 时,f(x) 的极限为:- 若 a > 0,则极限为∞ 或 -∞,具体取决于 x 的正负;- 若 a = 0,则极限为 1;- 若 a < 0,则极限为 0。
4. 指数函数极限:α 为常数,若f(x) = α^x,则当x→∞ 或x→-∞ 时,f(x) 的极限为:- 若α > 1,则极限为∞ 或 0,具体取决于 x 的正负;- 若0 < α < 1,则极限为 0 或∞,具体取决于 x 的正负; - 若α = 1,则极限为 1。
5. 对数函数极限:若f(x) = logₐ(x)(a>0 且a≠1),则当x→0 或x→∞ 时,f(x) 的极限为:- 当 a > 1 时,极限为 -∞ 或∞,具体取决于 x 的趋势;- 当 0 < a < 1 时,极限为∞ 或 -∞,具体取决于 x 的趋势。
6. 三角函数极限:- sin(x) 的极限为 1,当x→0 时;- cos(x) 的极限为 1,当x→0 时;- tan(x) 的极限为∞ 或 -∞,当x→(nπ/2)(n为整数) 时;- cot(x) 的极限为∞ 或 -∞,当x→nπ(n为整数) 时;- sec(x) 的极限为∞ 或 -∞,当x→(2n+1)(π/2)(n为整数) 时; - csc(x) 的极限为∞ 或 -∞,当x→nπ(n为整数) 时。
极限的概念
极限是数学中的分支微积分的基础概念,广义的“极限”是指“无限靠近而永远不能到达”的意思。
数学中的“极限”指:某一个函数中的某一个变量,此变量在变大(或者变小)的永远变化的过程中,逐渐向某一个确定的数值A不断地逼近而“永远不能够重合到A”(“永远不能够等于A,但是取等于A‘已经足够取得高精度计算结果)的过程中,此变量的变化,被人为规定为“永远靠近而不停止”、其有一个“不断地极为靠近A点的趋势”。
极限是一种“变化状态”的描述。
此变量永远趋近的值A叫做“极限值”(当然也可以用其他符号表示)。
极限的定义与计算方法极限是微积分学中的重要概念,用于描述函数在某一点或者无穷远处的行为。
它在物理学、工程学以及其他应用领域中有着广泛的应用。
本文将介绍极限的定义以及计算方法,并对其在实际问题中的应用进行讨论。
一、极限的定义在微积分学中,极限是用来描述函数在某一点或者无穷远处的趋势的数学概念。
通常用符号lim表示。
给定函数f(x),当自变量x无限接近某一点a时,如果函数f(x)的取值趋近于一个固定的值L,那么就说函数f(x)在x趋近a的过程中有极限,即lim(x→a) f(x) = L。
二、函数极限的计算方法要计算函数的极限,可以使用以下主要的方法:1. 代入法:针对简单的函数,我们可以直接将x的值代入函数,然后计算函数的取值。
例如,要计算lim(x→2) (3x^2 + 2x -1),我们可以将x替换为2,然后计算出函数的值。
2. 分式的化简:当函数为分式形式时,可以通过化简的方法得到更简单的表达式,然后再进行计算。
例如,要计算lim(x→1) (x^2-1)/(x-1),我们可以对分子进行因式分解,然后化简分式,最后再代入x=1进行计算。
3. 极限的性质:极限有一些常用的性质,例如四则运算、乘法法则、除法法则等。
根据这些性质,我们可以将复杂的函数转化为简单的函数,然后再进行计算。
例如,要计算lim(x→0) 2x^3 + 3x^2 - 4x,我们可以将函数拆分为lim(x→0) 2x^3 + lim(x→0) 3x^2 - lim(x→0) 4x,然后分别计算每个部分的极限。
4. 单侧极限:当函数在某点处的左极限和右极限不相等时,我们可以使用单侧极限来描述该点的极限。
左极限表示x从左侧趋近于该点时的极限,右极限表示x从右侧趋近于该点时的极限。
三、极限在实际问题中的应用极限的概念不仅仅是数学中的一个抽象概念,它也具有实际应用价值。
以下是几个极限在实际问题中的应用案例:1. 建模和预测:在物理学或者经济学等领域中,研究人员常常需要建立数学模型来描述各种现象和趋势。
极限概念解析及其应用极限是微积分的核心概念之一,是描述函数在某一点附近行为的重要工具。
它不仅在数学理论中有着重要地位,而且在物理、工程等应用领域也扮演着关键角色。
本文将对极限的概念进行详细解析,并讨论其在实际问题中的应用。
一、极限的定义在数学中,极限可以理解为函数在某一点无穷接近某个值的趋势。
更精确地说,给定函数f(x),当自变量x无限接近某个值a时,若对应的函数值f(x)无论怎么变动,总能无限接近某个固定的数L,则称函数f(x)在自变量趋于a时的极限为L,记作lim[f(x)] = L,或者写成x→a时f(x)的极限等于L。
换言之,对于任意小的正数ε,存在一个正数δ,当0 < |x - a| < δ时,有|f(x) - L| < ε。
这个定义表明,在自变量趋近于a的过程中,函数值会越来越接近L,同时可以无限接近L而不超过某个给定的精度。
二、极限的性质极限具有以下基本性质:1. 唯一性:若lim[f(x)]存在,则极限唯一。
2. 局部有界性:若lim[f(x)] = L,则f(x)在x→a时在某个邻域内有界。
3. 保号性:若lim[f(x)] = L > 0,则在x充分接近a时,f(x)大于0;若lim[f(x)] = L < 0,则在x充分接近a时,f(x)小于0。
4. 四则运算性质:设lim[f(x)] = A,lim[g(x)] = B,则有lim[f(x) +g(x)] = A + B,lim[f(x) - g(x)] = A - B,lim[f(x) * g(x)] = A * B,lim[f(x) / g(x)] = A / B(若B≠0)。
三、极限的应用极限在实际问题中有着广泛的应用。
以下列举几个典型例子:1. 切线与切线斜率:切线是一条通过曲线上某一点的直线,切线斜率表示曲线在该点的斜率。
通过极限,我们可以准确求出曲线在某一点的切线斜率,进而研究曲线的变化趋势并进行相关推导。
极限的公式
极限的公式如下:
1、lim(f(x)+g(x))=limf(x)+limg(x);
2、lim(f(x)-g(x))=limf(x)-limg(x);
3、lim(f(x)g(x))=limf(x)limg(x);
4、e^x-1~x (x→0);
5、1-cosx~1/2x^2 (x→0);
6、1-cos(x^2)~1/2x^4 (x→0);
7、loga(1+x)~x/lna(x→0)。
lim极限运算公式总结,p>差、积的极限法则。
当分子、分母的极限都存在,且分母的极限不为零时,才可使用商的极限法则。
极限的求法:
1、连续初等函数,在定义域范围内求极限,可以将该点直接代入得极限值,因为连续函数的极限值就等于在该点的函数值。
2、利用恒等变形消去零因子(针对于0/0型)
3、利用无穷大与无穷小的关系求极限。
4、利用无穷小的性质求极限。
5、利用等价无穷小替换求极限,可以将原式化简计算。
6、利用两个极限存在准则,求极限,有的题目也可以考虑用放大缩小,再用夹逼定理的方法求极限。
极限是微积分中的基础概念,它指的是变量在一定的变化过程中,从总的来说逐渐稳定的这样一种变化趋势以及所趋向的值(极限值)。
极限的概念最终由柯西和魏尔斯特拉斯等人严格阐述。
在现代的数学分析教科书中,几乎所有基本概念(连续、微分、积分)都是建立在极限概念的基础之上。
一、数列极限定义:设为一无穷实数数列的集合。
如果存在实数a,对于任意正数(不论它多么小),总存在正整数N,使得当n>N时,均有不等式成立,那么就称常数a是数列的极限,或称数列收敛于a。
记作。
如果上述条件不成立,就说数列发散。
[1] 还有一种定义:任给,若在区间外数列中的项至多只有有限个,则称数列收敛于极限a。
[2] 换句话说,如果存在某,使数列中有无穷多个项落在之外,则一定不以a为极限。
对定义的理解1、ε的任意性定义中ε的作用在于衡量数列通项与常数a的接近程度。
ε越小,表示接近得越好;而正数ε可以任意地小,说明与常数a可以接近到任何程度。
但是,尽管ε有其任意性,但一经给出,就被暂时地确定下来,以便靠它来求出N。
又因为ε是任意小的正数,所以ε/2 、3ε 、ε2 等也都是任意小的正数,因此可用它们代替ε。
同时,正由于ε是任意小的正数,我们可以限定ε小于一个确定的正数。
另外,定义中的也可改写成。
2、N的相应性一般来说,N随ε的变小而变大,因此常把N写作N(ε),以强调N对ε的依赖性。
但这并不意味着N是由ε唯一确定的(比如若n>N)使成立,那么显然n>N+1、n>2N等也使成立)。
重要的是N的存在性,而不在于其值的大小。
另外,定义中的n>N也可改写成n≥N。
3、从几何意义上看,“当n>N时,均有不等式成立”意味着:所有下标大于N的都落在(a-ε,a+ε)内;而在(a-ε,a+ε)之外,数列中的项至多只有N个(有限个)。
[2] 性质1、唯一性:若数列的极限存在,则极限值是唯一的,且它的任何子列的极限与原数列的相等;2、有界性:如果一个数列收敛(有极限),那么这个数列一定有界。
但是,如果一个数列有界,这个数列未必收敛。
例如数列1,-1,1,-1,……,(-1)n+1 ,……3、保号性:若(或<0),则对任何(a<0时则),存在N>0,使n>N时有(相应的)。
4、保不等式性:设数列与均收敛。
若存在正数,使得当n>N时有,则(若条件换为,结论不变)5、和实数运算的相容性:譬如:如果两个数列,都收敛,那么数列也收敛,而且它的极限等于的极限和的极限的和。
6、与子列的关系:数列与它的任一平凡子列同为收敛或发散,且在收敛时有相同的极限;数列收敛的充要条件是:数列的任何非平凡子列都收敛。
[2] 单调收敛定理单调有界数列必收敛。
[3] 柯西收敛原理:设是一个数列,如果对任意ε>0,存在N∈Z*,只要 n 满足n > N,则对于任意正整数p,都有,这样的数列便称为柯西数列。
这种渐进稳定性与收敛性是等价的。
即互为充分必要条件。
二、函数极限自变量趋于有限值时函数的极限定义设函数在点的某一去心邻域内有定义,如果存在常数,对于任意给定的正数,总存在正数,使得当满足不等式时,对应的函数值都满足不等式,那么常数就叫做函数当时的极限,记作。
[1] 自变量趋于无穷值时函数的极限定义设函数当大于某一正数时有定义,如果存在常数,对于任意给定的正数,总存在正数M ,使得当x满足不等式时,对应的函数值都满足不等式,那么常数就叫做函数当时的极限修改公式,记作。
函数的左右极限1:如果当x从点x=x0的左侧(即x<x0)无限趋近于x0时,函数f(x)无限趋近于常数a,就说a是函数f(x)在点x0处的左极限,记作。
2:如果当x从点x=x0右侧(即x>x0)无限趋近于点x0时,函数f(x)无限趋近于常数a,就说a是函数f(x)在点x0处的右极限,记作。
若一个函数在x0上的左右极限不同,则此函数在x0上不存在极限一个函数是否在x0处存在极限,与它在x=x0处是否有定义无关,只要求y=f(x)在x0附近有定义即可。
两个重要极限1、 2、或(其中e=2.7182818...是一个无理数,也就是自然对数的底数)运算法则设,存在,且令,则有以下运算法则,线性运算加减:数乘:(其中c是一个常数)非线性运算乘除:( 其中B≠0 )幂运算:三、极限思想极限的思想是近代数学的一种重要思想,数学分析就是以极限概念为基础、极限理论(包括级数)为主要工具来研究函数的一门学科。
所谓极限的思想,是指用极限概念分析问题和解决问题的一种数学思想。
用极限思想解决问题的一般步骤可概括为:对于被考察的未知量,先设法构思一个与它有关的变量,确认这变量通过无限过程的结果就是所求的未知量;最后用极限计算来得到这结果。
极限思想是微积分的基本思想,数学分析中的一系列重要概念,如函数的连续性、导数以及定积分等等都是借助于极限来定义的。
如果要问:“数学分析是一门什么学科?”那么可以概括地说:“数学分析就是用极限思想来研究函数的一门学科”。
产生与发展(1)由来与一切科学的思想方法一样,极限思想也是社会实践的产物。
极限的思想可以追溯到古代,刘徽的割圆术就是建立在直观基础上的一种原始的极限思想的应用;古希腊人的穷竭法也蕴含了极限思想,但由于希腊人“对无限的恐惧”,他们避免明显地“取极限”,而是借助于间接证法——归谬法来完成了有关的证明。
到了16世纪,荷兰数学家斯泰文在考察三角形重心的过程中改进了古希腊人的穷竭法,他借助几何直观,大胆地运用极限思想思考问题,放弃了归缪法的证明。
如此,他就在无意中“指出了把极限方法发展成为一个实用概念的方向”。
(2)发展极限思想的进一步发展是与微积分的建立紧密相联系的。
16世纪的欧洲处于资本主义萌芽时期,生产力得到极大的发展,生产和技术中大量的问题,只用初等数学的方法已无法解决,要求数学突破只研究常量的传统范围,而提供能够用以描述和研究运动、变化过程的新工具,这是促进极限发展、建立微积分的社会背景。
起初牛顿和莱布尼茨以无穷小概念为基础建立微积分,后来因遇到了逻辑困难,所以在他们的晚期都不同程度地接受了极限思想。
牛顿用路程的改变量ΔS与时间的改变量Δt之比表示运动物体的平均速度,让Δt无限趋近于零,得到物体的瞬时速度,并由此引出导数概念和微分学理论。
他意识到极限概念的重要性,试图以极限概念作为微积分的基础,他说:“两个量和量之比,如果在有限时间内不断趋于相等,且在这一时间终止前互相靠近,使得其差小于任意给定的差,则最终就成为相等”。
但牛顿的极限观念也是建立在几何直观上的,因而他无法得出极限的严格表述。
牛顿所运用的极限概念,只是接近于下列直观性的语言描述:“如果当n无限增大时,无限地接近于常数A,那么就说以A为极限。
”这种描述性语言,人们容易接受,现代一些初等的微积分读物中还经常采用这种定义。
但是,这种定义没有定量地给出两个“无限过程”之间的联系,不能作为科学论证的逻辑基础。
正因为当时缺乏严格的极限定义,微积分理论才受到人们的怀疑与攻击,例如,在瞬时速度概念中,究竟Δt是否等于零?如果说是零,怎么能用它去作除法呢?如果它不是零,又怎么能把包含着它的那些项去掉呢?这就是数学史上所说的无穷小悖论。
英国哲学家、大主教贝克莱对微积分的攻击最为激烈,他说微积分的推导是“分明的诡辩”。
贝克莱之所以激烈地攻击微积分,一方面是为宗教服务,另一方面也由于当时的微积分缺乏牢固的理论基础,连牛顿自己也无法摆脱极限概念中的混乱。
这个事实表明,弄清极限概念,建立严格的微积分理论基础,不但是数学本身所需要的,而且有着认识论上的重大意义。
(3)完善极限思想的完善与微积分的严格化密切联系。
在很长一段时间里,微积分理论基础的问题,许多人都曾尝试解决,但都未能如愿以偿。
这是因为数学的研究对象已从常量扩展到变量,而人们对变量数学特有的规律还不十分清楚;对变量数学和常量数学的区别和联系还缺乏了解;对有限和无限的对立统一关系还不明确。
这样,人们使用习惯了的处理常量数学的传统思想方法,就不能适应变量数学的新需要,仅用旧的概念说明不了这种“零”与“非零”相互转化的辩证关系。
到了18世纪,罗宾斯、达朗贝尔与罗依里埃等人先后明确地表示必须将极限作为微积分的基础概念,并且都对极限作出过各自的定义。
其中达朗贝尔的定义是:“一个量是另一个量的极限,假如第二个量比任意给定的值更为接近第一个量”,它接近于极限的正确定义;然而,这些人的定义都无法摆脱对几何直观的依赖。
事情也只能如此,因为19世纪以前的算术和几何概念大部分都是建立在几何量的概念上面的。
首先用极限概念给出导数正确定义的是捷克数学家波尔查诺,他把函数f(x)的导数定义为差商的极限f'(x),他强调指出f'(x)不是两个零的商。
波尔查诺的思想是有价值的,但关于极限的本质他仍未说清楚。
到了19世纪,法国数学家柯西在前人工作的基础上,比较完整地阐述了极限概念及其理论,他在《分析教程》中指出:“当一个变量逐次所取的值无限趋于一个定值,最终使变量的值和该定值之差要多小就多小,这个定值就叫做所有其他值的极限值,特别地,当一个变量的数值(绝对值)无限地减小使之收敛到极限0,就说这个变量成为无穷小。
”柯西把无穷小视为以0为极限的变量,这就澄清了无穷小“似零非零”的模糊认识,这就是说,在变化过程中,它的值可以是非零,但它变化的趋向是“零”,可以无限地接近于零。
柯西试图消除极限概念中的几何直观,作出极限的明确定义,然后去完成牛顿的愿望。
但柯西的叙述中还存在描述性的词语,如“无限趋近”、“要多小就多小”等,因此还保留着几何和物理的直观痕迹,没有达到彻底严密化的程度。
为了排除极限概念中的直观痕迹,维尔斯特拉斯提出了极限的静态的定义,给微积分提供了严格的理论基础。
所谓,就是指:“如果对任何,总存在自然数N,使得当时,不等式恒成立”。
这个定义,借助不等式,通过ε和N之间的关系,定量地、具体地刻划了两个“无限过程”之间的联系。
因此,这样的定义是严格的,可以作为科学论证的基础,至今仍在数学分析书籍中使用。
在该定义中,涉及到的仅仅是数及其大小关系,此外只是给定、存在、任取等词语,已经摆脱了“趋近”一词,不再求助于运动的直观。
众所周知,常量数学静态地研究数学对象,自从解析几何和微积分问世以后,运动进入了数学,人们有可能对物理过程进行动态研究。
之后,维尔斯特拉斯建立的ε-N语言,则用静态的定义刻划变量的变化趋势。
这种“静态——动态——静态”的螺旋式的演变,反映了数学发展的辩证规律。
极限思想的思维功能极限思想在现代数学乃至物理学等学科中有着广泛的应用,这是由它本身固有的思维功能所决定的。
极限思想揭示了变量与常量、无限与有限的对立统一关系,是唯物辩证法的对立统一规律在数学领域中的应用。