两个重要极限学习资料
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两个重要极限的证明嘿,小伙伴们!咱们今天来聊聊两个超级重要的极限。
这两个极限在数学里可有着举足轻重的地位呢!第一个重要极限是:当 x 趋近于 0 时,lim(sin x / x) = 1 。
第二个重要极限是:当 x 趋近于无穷大时,lim(1 + 1/x)^x =e 。
第一个重要极限的证明咱们先来看第一个重要极限的证明哈。
我们知道,单位圆中,角 x 对应的弧长是 x ,而对应的弦长是2sin(x/2) 。
因为弧长大于弦长,所以 x > 2sin(x/2) ,即 sin(x/2) x/2 。
同时,根据三角形的面积关系,扇形的面积是 1/2 x ,三角形OAB 的面积是 1/2 tan x ,而扇形的面积大于三角形的面积,所以1/2 x > 1/2 tan x ,即 x tan x 。
所以 cos x sin x / x 1 ,当 x 趋近于 0 时,cos x 和 1的极限都是 1 ,根据夹逼准则,就可以证明 lim(sin x / x) = 1啦!第二个重要极限的证明看看第二个重要极限。
我们设 y = (1 + 1/x)^x ,对其取对数,得到 ln y = x ln(1 +1/x) 。
然后令 t = 1/x ,则 x = 1/t ,ln y = (1/t) ln(1 + t) 。
根据洛必达法则,对 (ln(1 + t))/t 求极限,当 t 趋近于 0 时,其极限为 1 。
所以当 x 趋近于无穷大时,ln y 的极限是 1 ,那么 y 的极限就是 e ,就证明了 lim(1 + 1/x)^x = e 。
怎么样,这两个重要极限的证明是不是很有趣呀!。
两个极限存在准则和两个重要的极限第一个极限存在准则是柯西-斯维亚切斯极限存在准则(Cauchy-Schwarz Limit Existence Criteria)。
其表述为:对于一个函数 f(x),如果对于任意的ε>0,存在一个δ>0,使得当 0<,x-a,<δ 时,总有,f(x)-f(a),<ε,则函数 f(x) 在点 a 处存在极限。
第二个极限存在准则是海涅定理(Heine's Theorem),也被称为局部有界性定理(Local Boundedness Theorem)。
其表述为:如果对于一个函数 f(x),在点 a 的一些邻域内 f(x) 有界,即存在一个常数 M>0,使得对于所有的x∈(a-δ,a+δ) 有,f(x),≤M,则函数 f(x) 在点 a 处存在极限。
这两个极限存在准则都用于判断函数在其中一点处的极限是否存在。
柯西-斯维亚切斯极限存在准则要求函数在该点的极限存在时,对于任意给定的ε>0,都能找到对应的δ>0,使得函数值与极限值的差小于ε。
而海涅定理则要求函数在该点附近有界,即函数在该点附近的函数值都不超过一些常数M。
这两个定理的应用范围和方法略有不同。
除了极限存在准则外,还有两个重要的极限:无穷小与无穷大。
无穷小是指极限趋近于零的数列或函数。
对于一个数列 {a_n},如果对于任意的正数ε>0,存在正整数 N,使得当 n>N 时,有,a_n,<ε,则该数列是无穷小。
对于一个函数 f(x),如果在其中一点 a 处,有lim(x→a) f(x)=0,则该函数在点 a 处是无穷小。
无穷大则是指极限趋于无穷的数列或函数。
对于一个数列 {a_n},如果对于任意的正数 M>0,存在正整数 N,使得当 n>N 时,有,a_n,>M,则该数列是无穷大。
对于一个函数 f(x),如果在其中一点 a 处,有lim(x→a) f(x)=∞(或表示为lim(x→a) ,f(x),=∞),则该函数在点 a 处是无穷大。
两个重要极限-重要极限
1、无穷小
如果f(x)在x→x0时的极限为0,则称f(x)为x→x0时的无穷小。
在x趋于x0的同一变化过程中,f(x)有极限的充要条件为f(x)=A+α(α为无穷小)。
2、无穷大
如果f(x)是无穷小,则1/f(x)为无穷大,反之亦然。
3、极限运算法则
(1)有限个无穷小的和(或乘积)也是无穷小。
(2)有界函数和无穷小的乘积是无穷小。
(3)两个函数的和(或乘积)的极限等于两个函数的极限的和(或乘积),当然,比值也如此,只是需要额外要求分母上的极限不能为0。
(3‘)函数的n次幂的极限等于函数的极限的n次幂(n为正整数)。
(4)如果函数A(x)≥B(x),则A的极限也大于等于B的极限。
4、极限存在准则
(1)设数列X处于两个数列之间,即Yn≤Xn≤Zn,如果数列Y和Z 都有极限为a,则X也有极限为a。
(1’)设函数f(x),在x0的某去心邻域内有g(x)≤f(x)≤h(x),如果g和h都有极限为A,则f(x)也有极限为A。
上述两条准则统称为夹逼准则。
(2)单调有界数列必有极限。
(3)柯西极限存在准则。
两个重要极限(整理).pdf第一个重要极限的公式:limsinx/x=1(x->0)当x→0时,sin/x 的极限等于1。
特别注意的是x→∞时,1/x是无穷小,根据无穷小的性质得到的极限是0。
第二个重要极限的公式:lim(1+1/x)^x=e(x→∞)当x→∞时,(1+1/x)^x的极限等于e;或当x→0时,(1+x)^(1/x)的极限等于e。
两个重要极限公式作用(1)sinx/x的极限,在中国国内的教学环境中,经常被歪解成等价无穷小。
而在国际的微积分教学中,依旧是中规中矩,没有像国内这么疯狂炒作等价无穷小代换。
sinx经过麦克劳林级数展开后,x是最低价的无穷小,sinx跟x只有在比值时,当x趋向于0时,极限才是1。
用我们一贯的,并不是十分妥当的说法,是“以直代曲”。
这一特性在计算、推导其他极限公式、导数公式、积分公式时,会反反复复地用到。
sinx、x、tanx也给夹挤定理提供了最原始的实例,也给复变函数中sinx/x的定积分提供形象理解。
(2)关于e的重要性,更是登峰造极。
表面上它起了两个作用:A、一个上升、有阶级数,跟一个下降的有阶级数,具有一个共同极限;B、破灭了我们原来的一些固有概念:大于1的数开无限次幂的.结果会越来越小,直到1为止;小于1的正数开无限次幂的结果会越来越大,直到1为止。
整体而言,e的重要极限,有这么几个意义:A、将代数函数、对数函数、三角函数,整合为一个整体理论,再结合复数理论,它们成为一个严密的互通互化互补的、相辅相成、交相印证的完整理论体系.B、使得整个微积分理论,包括微分方程理论,简洁明了。
没有了e^x这一函数,就没有了lnx,也就没有一切理论,所有的公式将十分复杂。
1.6两个重要极限准则I如果数列{x n }、{y n }及{z n }满足下列条件: (1)y n ≤x n ≤z n (n =1, 2, 3, ⋅ ⋅ ⋅), (2)a y n n =∞→lim , a z n n =∞→lim ,那么数列{x n }的极限存在, 且a x n n =∞→lim .证明: 因为a y n n =∞→lim , a z n n =∞→lim , 以根据数列极限的定义, ∀ε >0, ∃N1>0, 当n >N 1时, 有|y n -a |<ε ; 又∃N 2>0, 当n >N 2时, 有|z n -a |<ε . 现取N =max{N 1, N 2}, 则当 n >N 时, 有|y n -a |<ε , |z n -a |<ε同时成立, 即a -ε<y n <a +ε , a -ε<z n <a +ε ,同时成立. 又因y n ≤x n ≤z n , 所以当 n >N 时, 有a -ε<y n ≤x n ≤z n <a +ε ,即|x n -a |<ε .这就证明了a x n n =∞→lim .简要证明: 由条件(2), ∀ε >0, ∃N >0, 当n >N 时, 有 |y n -a |<ε 及|z n -a |<ε ,即有a -ε<y n <a +ε , a -ε<z n <a +ε , 由条件(1), 有a -ε<y n ≤x n ≤z n <a +ε , 即|x n -a |<ε .这就证明了a x n n =∞→lim .准则I '如果函数f (x )、g (x )及h (x )满足下列条件: (1) g (x )≤f (x )≤h (x );(2) lim g (x )=A , lim h (x )=A ; 那么lim f (x )存在, 且lim f (x )=A .注 如果上述极限过程是x →x 0, 要求函数在x 0的某一去心邻域内有定义, 上述极限过程是x →∞, 要求函数当|x |>M 时有定义, 准则I 及准则I ' 称为夹逼准则.下面根据准则I '证明第一个重要极限: 1sin lim 0=→xx x .证明 首先注意到, 函数xx sin 对于一切x ≠0都有定义. 参看附图: 图中的圆为单位圆, BC ⊥OA , DA ⊥OA . 圆心角∠AOB =x (0<x <2π). 显然sin x =CB , x =⋂AB , tan x =AD . 因为S ∆AOB <S 扇形AOB <S ∆AOD ,所以21sin x <21x <21tan x , 即sin x <x <tan x .不等号各边都除以sin x , 就有xx x cos 1sin 1<<, 或1sin cos <<xx x .注意此不等式当-2π<x <0时也成立. 而1cos lim 0=→x x , 根据准则I ',1sin lim 0=→xx x . 简要证明: 参看附图, 设圆心角∠AOB =x (20π<<x ).显然 BC < AB <AD , 因此 sin x < x < tan x , 从而 1sin cos <<xx x (此不等式当x <0时也成立).因为1cos lim 0=→x x , 根据准则I ', 1sin lim 0=→xx x .应注意的问题:在极限)()(sin lim x x αα中, 只要α(x )是无穷小, 就有1)()(sin lim =x x αα.这是因为, 令u =α(x ), 则u →0, 于是)()(sin lim x x αα1sin lim 0==→uu u .1sin lim 0=→x x x , 1)()(sin lim =x x αα(α(x )→0). 例1. 求xx x tan lim 0→.解: xx x tan lim 0→x xx x cos 1sin lim 0⋅=→1cos 1lim sin lim 00=⋅=→→xx x x x .例2. 求2cos 1lim xxx -→. 解: 2cos 1lim xx x -→=22022)2(2sinlim 212sin 2lim x x x x x x →→=2112122sin lim 21220=⋅=⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛=→x x x . 2112122sin lim 21220=⋅=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=→xxx . 准则II 单调有界数列必有极限. 如果数列{x n }满足条件x 1≤x 2≤x 3≤ ⋅ ⋅ ⋅ ≤x n ≤x n +1≤ ⋅ ⋅ ⋅,就称数列{x n }是单调增加的; 如果数列{x n }满足条件x 1≥x 2≥x 3≥ ⋅ ⋅ ⋅ ≥x n ≥x n +1≥ ⋅ ⋅ ⋅,就称数列{x n }是单调减少的. 单调增加和单调减少数列统称为单调数列.如果数列{x n }满足条件x n ≤x n +1, n ∈N +,在第三节中曾证明: 收敛的数列一定有界. 但那时也曾指出: 有界的数列不一定收敛. 现在准则II 表明: 如果数列不仅有界, 并且是单调的, 那么这数列的极限必定存在, 也就是这数列一定收敛. 准则II 的几何解释:单调增加数列的点只可能向右一个方向移动, 或者无限向右移动, 或者无限趋近于某一定点A , 而对有界数列只可能后者情况发生. 根据准则II , 可以证明极限n n n)11(lim +∞→存在.设n n nx )11(+=, 现证明数列{x n }是单调有界的.按牛顿二项公式, 有n n n n n n n n n n n n n n n n n n n x 1!)1( )1( 1!3)2)(1(1!2)1(1!11)11(32⋅+-⋅⋅⋅-+⋅⋅⋅+⋅--+⋅-+⋅+=+=)11( )21)(11(!1 )21)(11(!31)11(!2111nn n n n n n n --⋅⋅⋅--+⋅⋅⋅+--+-++=,)111( )121)(111(!1 )121)(111(!31)111(!21111+--⋅⋅⋅+-+-+⋅⋅⋅++-+-++-++=+n n n n n n n n x n)11( )121)(111()!1(1+-⋅⋅⋅+-+-++n n n n n . 比较x n , x n +1的展开式, 可以看出除前两项外, x n 的每一项都小于xn +1的对应项,并且x n +1还多了最后一项, 其值大于0, 因此x n < x n +1 ,这就是说数列{x n }是单调有界的.这个数列同时还是有界的. 因为x n 的展开式中各项括号内的数用较大的数1代替, 得3213211211121 212111!1 !31!2111112<-=--+=+⋅⋅⋅++++<⋅⋅⋅++++<--n nn n n x .根据准则II , 数列{x n }必有极限. 这个极限我们用e 来表示. 即e nn n =+∞→)11(lim . 我们还可以证明e xx x =+∞→)11(lim . e 是个无理数, 它的值是e =2. 718281828459045⋅ ⋅ ⋅.指数函数y =e x 以及对数函数y =ln x 中的底e 就是这个常数. 在极限)(1)](1lim[x x αα+中, 只要α(x )是无穷小, 就有e x x =+)(1)](1lim[αα.这是因为, 令)(1x u α=, 则u →∞, 于是)(1)](1lim[x x αα+e u u u =+=∞→)11(lim .e xx x =+∞→)11(lim , e x x =+)(1)](1lim[αα(α(x )→0).例3. 求x x x)11(lim -∞→.解: 令t =-x , 则x →∞时, t →∞. 于是x x x )11(lim -∞→t t t -∞→+=)11(lim e tt t 1)11(1lim =+=∞→. 或)1()11(lim )11(lim --∞→∞→-+=-x x x x xx11])11(lim [---∞→=-+=e xx x .。
2.5.1两个重要极限(第一课时)
——新浪微博:月牙LHZ
一、教学目标
1.复习该章的重点内容。
2.理解重要极限公式。
3.运用重要极限公式求解函数的极限。
二、教学重点和难点
重点:公式的熟记与理解。
难点:多种变形的应用。
三、教学过程
1、复习导入
(1)极限存在性定理:A x f x f A x f x x x x x x ==⇔=-
+→→→)(lim )(lim )(lim 000 (2)无穷大量与无穷小量互为倒数,若)(0)(x x x f →∞→,则)(00)(1
x x x f →→
(3)极限的四则运算:
[])(lim )(lim )()(lim x g x f x g x f ±=±
[])(lim )(lim )()(lim x g x f x g x f ⋅=⋅
)(lim )
(lim )()(lim x g x f
x g x f = ()()0lim ≠x g
(4)[])(lim )(lim x f c x cf =(加法推论)
(5)[][]k k x f x f )(lim )(lim =(乘法推论)
(6)[]0lim =⨯有界变量无穷小量(无穷小量的性质) eg: 0sin 1
lim sin lim =⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅=∞→∞→x x x x x x
那么,?=→x
x x sin lim 0呢,这是我们本节课要学的重要极限 2、掌握重要极限公式 1sin lim 0=→x
x x 公式的特征:(1)0
0型极限; (2)分子是正弦函数;
(3)sin 后面的变量与分母的变量相同。
3、典型例题
【例1】 求 kx
x x sin lim
0→()0≠k 解:kx x x sin lim 0→=k
k x x k x 111sin lim 10=⨯=→ 【例2】 求 x x x tan lim 0→ 解:x x x tan lim 0→=111cos 1lim sin lim cos 1sin lim 000=⨯=⋅=⎪⎭
⎫ ⎝⎛→→→x x x x x x x x x (推导公式:1tan lim
0=→x
x x ) 【例3】 求 x
x x 5sin lim 0→ 解:51555sin lim 555sin 5lim 5sin lim 000=⋅=⋅=⋅=→→→x x x x x x x x x 4、强化练习
(1)x x x 3sin lim
0→(2)x kx x sin lim 0→()0≠k (3)x x x 35sin lim 0→ (4) x
x x 2tan lim 0→ 解:(1)x x x 3sin lim 0→=3
1131sin lim 310=⨯=→x x x (2) k k kx kx k kx kx k x kx x x x =⋅=⋅=⋅=→→→1sin lim sin lim sin lim 000 (3)3513555sin lim 353555sin lim 35sin lim 000
=⋅=⋅=⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅=→→→x x x x x x x x x (4)x x x 2tan lim 0→=11122cos 1lim 22sin lim 22cos 12sin lim 000=⨯⨯=⋅⋅=⎪⎭
⎫ ⎝⎛→→→x x x x x x x x x 四、小结:
本节课我们学习了一个重要的极限,并运用这个公式求解一些函数的极限。
在运用这个公式时,要注意两点:一是分子中的三角函数转换为正弦函数,二是分子sin 后面的变量与分母的变量相同。
五、布置作业:
(1)x x x 5sin lim 0→(2)x x x 3sin lim 0→ (3)x x x 25sin lim 0→ (4) x
x x 3tan lim 0→
2.5.2两个重要极限(第二课时)
————新浪微博:月牙LHZ
一、教学目标
1.理解重要极限公式。
2.运用重要极限公式求解函数的极限。
二、教学重点和难点
重点:公式的熟记与理解。
难点:多种变形的应用。
三、教学过程
1、复习导入:
本节课我们学习一个重要的极限公式。
首先我们一起复习一下指数运算。
(1)()n n n b a b =a
(2) m n m n a a a ⋅=+
(3) ()m
n nm a a = 2、掌握重要极限公式
e x
x x =+∞→)11(lim 3、典型例题
【例1】 x x x
)21(lim +∞
→ 解:22222])2
11(lim [])211[(lim )21(lim e x x x
x x x x x x =+=+=+∞→∞→∞→(构造法) 【例2】x x x 10)1(lim +→
解:e z
x z z x z x x =+=+∞
→=→)11(lim )1(lim 110(换元法) (推导公式:e x x x =+→10)1(lim ) 【例3】 x x x )11(lim -∞
→ 解:e e x x x x x x x x x 1])11(lim [])11[(lim )11(lim 111==-+=-+=----∞→--∞
→∞→(构造法) 【例4】 x x x x )1
(lim +∞→ 解:e x x x x x x x x x x 1111lim )111(lim )1(lim =⎪⎭
⎫ ⎝⎛+=+=+∞→∞→∞→(构造法) 4、强化练习
(1)x x x )51(lim +∞→(2)x x x 2
0)1(lim +→(3)x x x
)21(lim -∞→ (4) x x x x )12(lim +∞→ 解:(1)55555])5
11(lim [])511[(lim )51(lim e x x x
x x x x x x =+=+=+∞→∞→∞→ (2)2221021020)11(lim )1(lim )1(lim )1(lim e z x x x z z x x x x x x =⎥⎦⎤⎢⎣⎡+=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+=+∞→→→→ (3) 2222221])211(lim [])211[(lim )21(lim e e x x x x
x x x x x ==-+=-+=----∞→--∞→∞→ (4)
e e e e x e x x x x x x x x
x x x x x x x x x x x ==+=+=⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎭⎫ ⎝⎛+=++=++∞→∞→∞→∞→∞→∞→22222])211(lim [])211[(lim 11lim 21lim )1121(lim )12(lim 四、小结:
本节课我们学习了另一个重要的极限,并运用这个公式求解一些函数的极限。
学会巧妙地运用换元法和构造法把它转化为公式的形式,从
而求得极限。
五、布置作业:
(1)x x x )31(lim +∞→(2)x x x 1
0)21(lim +→(3)x x x 2)11(lim -∞→ (4) x x x x )1
3(lim ++∞→。