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@@ -1,5 +1,5 @@
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@@ -24,8 +24,10 @@
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\author{Didnelpsun}
\title{函数与极限}
\begin{document}
@@ -276,7 +278,7 @@ $\lim_{x\to 0}\dfrac{x^2\cdot\sin\dfrac{1}{x}}{x}=\lim_{x\to 0}\left(2x\cdot\sin
其中$o(x^\alpha)$为佩亚诺余项,其非常小。
同样可以对泰勒展开式进行变形:$x-\sin x\sim\dfrac{x^3}{6}$
同样可以对泰勒展开式进行变形:$x-\sin x\sim\dfrac{x^3}{6}$$x+\sin x\sim 2x$
如:
@@ -387,7 +389,7 @@ $
$f(x)$$\mathring{U}(x_0,\delta)$内有定义,则$\lim_{x\to x_0}f(x)=A$存在$\Leftrightarrow$对任何$\mathring{U}(x_0,\delta)$内以$x_0$为极限的数列$\{x_n\}(x_n\neq x_0)$,极限$\lim_{n\to\infty}f(x_n)=A$存在。
海涅定理用来李连杰数列极限与函数极限。在极限存在下他们可以相互转换。
海涅定理用来连接数列极限与函数极限。在极限存在下他们可以相互转换。
\textbf{例题4}$\lim_{n\to\infty}\left(n\tan\dfrac{1}{n}\right)^{n^2}$$n\in N^+$)。
@@ -442,26 +444,378 @@ $
并不是任意无穷小都可以比阶。如$\lim_{x\to 0}\dfrac{x\sin\dfrac{1}{x}}{x^2}$就因为得到函数振荡而无法得到极限。
\section{极限未定式计算}
\subsection{常用等价无穷小}
对于自变量的变化趋势分为六种,分别是对于$x_0$$\infty$的各三种。
$x\to 0$
\subsection{化简}
\begin{enumerate}
\item $\sin x\sim x$
\item $\tan x\sim x$
\item $\arcsin x\sim x$
\item $\arctan x\sim x$
\item $\ln(1+x)\sim x$
\item $e^x-1\sim x$
\item $a^x-1\sim x\ln a$
\item $1-\cos x\sim\dfrac{1}{2}x^2$
\item $(1+x)^a-1\sim ax$
\end{enumerate}
还有$e^{\sin x}-e^x\sim\sin x-x\sim-\dfrac{1}{6}x^3$
\section{极限计算}
\subsection{未定式}
未定式即需要自己定义的式子,可能存在极限也可能不存在,对于自变量的变化趋势分为六种,分别是对于$x_0$$\infty$的各三种。
\subsubsection{化简}
方式:
\begin{enumerate}
\item 提出极限不为0的因式。
\item 等价无穷小替换。
\item 恒等变形(提公因式、拆项、合并、分子分母同除变量最高次幂、换元法)。
\end{enumerate}
\subsubsection{判断类型}
七种:$\dfrac{0}{0},\dfrac{\infty}{\infty},0\cdot\infty,\infty-\infty,\infty^0,0^0,1^\infty$
\ding{172}其中$\dfrac{0}{0}$为洛必达法则的基本型。$\dfrac{\infty}{\infty}$可以类比$\dfrac{0}{0}$的处理方式。$0\cdot\infty$可以转为$\dfrac{0}{\dfrac{1}{\infty}}=\dfrac{0}{0}=\dfrac{\infty}{\dfrac{1}{0}}=\dfrac{\infty}{\infty}$。设置分母有原则简单因式才下放。简单幂函数e为底的指数函数
\ding{173}$\infty-\infty$可以提取公因式或通分,即和差化积。
\ding{174}$\infty^0,0^0,1^\infty$,就是幂指函数。
$
u^v=e^{v\ln u}=\left\{
\begin{array}{lcl}
\infty^0 & \rightarrow & e^{0\cdot+\infty} \\
0^0 & \rightarrow & e^{0\cdot-\infty} \\
1^\infty & \rightarrow & e^{\infty\cdot 0} \\
\end{array} \right.
$
$\therefore \lim u^v=e^{\lim v\cdot\ln u}=e^{\lim v(u-1)}$
\paragraph{比值类型} \leavevmode \bigskip
$\dfrac{0}{0}$\textbf{例题5}求极限$\lim_{x\to 0}\dfrac{e^{-\frac{1}{x^2}}}{x^{100}}$
$
\begin{aligned}
& \lim_{x\to 0}\dfrac{e^{-\frac{1}{x^2}}}{x^{100}} \\
& = \lim_{x\to 0}\dfrac{e^{-\frac{1}{x^2}}\cdot 2x^{-3}}{100x^99} \\
& = \lim_{x\to 0}\dfrac{1}{50}\lim_{x\to 0}\dfrac{e^{-\frac{1}{x^2}}}{x^{102}}
\end{aligned}
$
\bigskip
使用洛必达法则下更复杂,因为分子的幂次为负数,导致求导后幂次绝对值越来越大,不容易计算。
使用倒代换再洛必达降低幂次,令$\dfrac{1}{x^2}=t$
$
\begin{aligned}
& \lim_{x\to 0}\dfrac{e^{-\frac{1}{x^2}}}{x^{100}} \\
& = \lim_{t\to+\infty}\dfrac{e^{-t}}{t^{-50}} \\
& = \lim_{t\to+\infty}\dfrac{t^{50}}{e^t} \\
& = \lim_{t\to+\infty}\dfrac{50t^{49}}{e^t} \\
& = \cdots \\
& = \lim_{t\to+\infty}\dfrac{50!}{e^t} \\
& = 0
\end{aligned}
$
$\infty\cdot 0$\textbf{例题6}求极限$\lim_{x\to-\infty}x(\sqrt{x^2+100}+x)$
首先定性分析:$\lim_{x\to-\infty}x\cdot(\sqrt{x^2+100}+x)$
$x\to-\infty$趋向时,$x$就趋向无穷大,而$\sqrt{x^2+100}$为一次,所以$\sqrt{x^2+100}+x$趋向0。
$\sqrt{x^2+100}$$x\to-\infty$时本质为根号差,所以有理化:
$
\begin{aligned}
& \lim_{x\to-\infty}x(\sqrt{x^2+100}+x) \\
& \lim_{x\to-\infty}x\dfrac{x^2+100-x^2}{\sqrt{x^100}-x} \\
& = \lim_{x\to-\infty}\dfrac{100x}{\sqrt{x^2+100}-x} \\
& \Rightarrow^{\text{}x=-t} \lim_{t\to+\infty}\dfrac{-100t}{\sqrt{t^2+100}+t} \\
& = \lim_{t\to+\infty}\dfrac{-100}{\sqrt{1+\dfrac{100}{t^2}}+1} \\
& = -50
\end{aligned}
$
$\infty\cdot 0$\textbf{例题7}求极限$\lim_{x\to 1^-}\ln x\ln(1-x)$
$x\to 1^-$时,$\ln x$趋向0$\ln(1-x)$趋向$-\infty$
$x\to 0$$\ln(1+x)\sim x$,所以$x\to 1$$\ln x\sim x-1$
$
\begin{aligned}
& \lim_{x\to 1^-}\ln x\ln(1-x) \\
& = \lim_{x\to 1^-}(x-1)\ln(1-x) \\
& \Rightarrow^{令t=1-x} =-\lim_{t\to 0^+}t\ln t \\
& = -\lim_{t\to 0^+}\dfrac{\ln t}{\dfrac{1}{t}} \\
& = -\lim_{t\to 0^+}\dfrac{\dfrac{1}{t}}{-\dfrac{1}{t^2}} \\
& = \lim_{t\to 0^+}t \\
& = 0
\end{aligned}
$
$\dfrac{0}{0}$\textbf{例题8}求极限$\lim_{x\to 0}\dfrac{\arcsin x-\arctan x}{\sin x-\tan x}$
分析:该题目使用洛必达法则会比较麻烦且难以计算,所以先考虑是否能用泰勒展开:
$x\to 0$$\sin x=x-\dfrac{1}{6}x^3+o(x^3)$$\tan x=x+\dfrac{1}{3}x^3+o(x^3)$$\arcsin x=x+\dfrac{1}{6}x^3+o(x^3)$$\arctan x=x-\dfrac{1}{3}x^3+o(x^3)$
$\therefore \sin x-\tan x=-\dfrac{1}{2}x^3+o(x^3)$$\arcsin x-\arctan x=\dfrac{1}{2}x^3+o(x^3)$
$\therefore \text{原式}=\dfrac{\dfrac{1}{x}x^3+o(x^3)}{-\dfrac{1}{2}x^3+o(x^3)}=-1$
$0\cdot\infty$\textbf{例题9}求极限$\lim_{x\to 0}x\left[\dfrac{10}{x}\right]$,其中$[\cdot]$为取整符号。
取整函数公式:$x-1<[x]\leqslant x$,所以$\dfrac{10}{x}-1<\left[\dfrac{10}{x}\right]\leqslant\dfrac{10}{x}$
$x>0$时,$x\to 0^+$两边都乘以10$10-x<x\cdot\left[\dfrac{10}{x}\right]\leqslant x\cdots\dfrac{10}{x}=10$,而左边在$x\to 0^+$时极限也为10所以夹逼准则中间$x\cdot\left[\dfrac{10}{x}\right]$极限也为10。
$x>0$时,$x\to 0^-$同样也是夹逼准则得到极限为10。
$\therefore \lim_{x\to 0}x\left[\dfrac{10}{x}\right]$
\paragraph{差类型} \leavevmode \bigskip
\begin{itemize}
\item 如果函数中有分母,则通分,将加减法变形为乘除法,以便其他计算如洛必达法则。
\item 若函数中没有分母,则可以通过提取公因式或倒数代换,出现分母,再利用通分等方式将加减法变成乘除法。
\end{itemize}
$\infty-\infty$\textbf{例题10}求极限$\lim_{x\to 0}\left(\dfrac{1}{\sin^2x}-\dfrac{\cos^2x}{x^2}\right)$
$
\begin{aligned}
& \lim_{x\to 0}\left(\dfrac{1}{\sin^2x}-\dfrac{\cos^2x}{x^2}\right) \\
& = \lim_{x\to 0}\dfrac{x^2-\sin^2x\cos^2x}{\sin^2x\cdot x^2} (\sin x\sim x)\\
& = \lim_{x\to 0}\dfrac{x^2-\sin^2x\cos^2x}{x^4} (\sin x\cos x\sim\dfrac{1}{2}\sin 2x)\\
& = \lim_{x\to 0}\dfrac{x^2-\dfrac{1}{4}\sin^22x}{x^4} \\
& = \lim_{x\to 0}\dfrac{2x-\dfrac{1}{4}\cdot 2\sin 2x\cdot\cos 2x\cdot 2}{4x^3} (\sin x\cos x\sim\dfrac{1}{2}\sin 2x)\\
& = \lim_{x\to 0}\dfrac{2x-\dfrac{1}{2}\sin 4x}{4x^3} \\
& = \lim_{x\to 0}\dfrac{2-\dfrac{1}{2}\cos 4x\cdot 4}{12x^2} \\
& = \dfrac{1}{6}\lim_{x\to 0}\dfrac{1-\cos 4x}{x^2} (1-\cos x\sim \dfrac{1}{2}x^2)\\
& = \dfrac{4}{3}
\end{aligned}
$
$\infty-\infty$\textbf{例题11}求极限$\lim_{x\to+\infty}[x^2(e^{\frac{1}{x}}-1)-x]$
该式子无法进行因式分解,所以尝试使用倒数代换:
$
\begin{aligned}
& \lim_{x\to+\infty}[x^2(e^{\frac{1}{x}}-1)-x] \\
& \Rightarrow^{\text{}x=\frac{1}{t}}\lim_{t\to 0^+}\left(\dfrac{e^t-1}{x^2}-\dfrac{1}{t}\right) \\
& \lim_{t\to 0^+}\dfrac{e^t-1-t}{t^2} \\
& \Rightarrow^{\text{泰勒展开}e^x}\lim_{t\to 0^+}\dfrac{\dfrac{1}{2}x^2}{x^2} \\
& =\dfrac{1}{2}
\end{aligned}
$
\paragraph{幂指类型} \leavevmode \bigskip
$\infty^0$\textbf{例题12}求极限$\lim_{x\to+\infty}(x+\sqrt{1+x^2})^{\frac{1}{x}}$
$
\begin{aligned}
& \lim_{x\to+\infty}(x+\sqrt{1+x^2})^{\frac{1}{x}} \\
& =e^{\lim_{x\to+\infty}\frac{(x+\sqrt{1+x^2})}{x}} \left(\ln(x+\sqrt{1+x^2})'=\dfrac{1}{\sqrt{1+x^2}}\right) \\
& =e^{\lim_{x\to+\infty}\dfrac{1}{\sqrt{1+x^2}}} \\
& =e^0 \\
& =1
\end{aligned}
$
$1^\infty$\textbf{例题13}求极限$\lim_{x\to 0}\left(\dfrac{e^x+e^{2x}+\cdots+e^{nx}}{n}\right)^{\frac{e}{x}}$。($n\in N^+$
$
\begin{aligned}
& \lim_{x\to 0}\left(\dfrac{e^x+e^{2x}+\cdots+e^{nx}}{n}\right)^{\frac{e}{x}} \\
& =e^{\lim_{x\to 0}\dfrac{e}{x}\ln\left(\frac{e^x+e^{2x}+\cdots+e^{nx}}{n}\right)} \\
& =e^{\lim_{x\to 0}\dfrac{e}{x}\left(\frac{e^x+e^{2x}+\cdots+e^{nx}}{n}-1\right)} \\
& =e^{\lim_{x\to 0}\dfrac{e}{x}\left(\frac{e^x+e^{2x}+\cdots+e^{nx}-n}{n}\right)} \\
& =e^{\frac{e}{n}\lim_{x\to 0}\left(\frac{e^x-1}{x}+\frac{e^{2x}-1}{x}+\cdots+\frac{e^{nx}-1}{x}\right)} \\
& =e^{\frac{e}{n}[1+2+\cdots+n]} \\
& =e^{\frac{e}{n}\cdot\frac{n(1+n)}{2}} \\
& =e^{\frac{e(1+n)}{2}}
\end{aligned}
$
\subsection{极限转换}
一般解法为两种,一种是脱帽法:$\lim_{x\to x_0}f(x)\Leftrightarrow f(x)=A+\alpha(x),\lim_{x\to x_0}\alpha(x)=0$。第二种就是根据之间的关系转换。
\textbf{例题14}如果$\lim_{x\to 0}\dfrac{x-\sin x+f(x)}{x^4}$存在,则$\lim_{x\to 0}\dfrac{x^3}{f(x)}$为常数多少?
解法一:
$\lim_{x\to 0}\dfrac{x\sin x+f(x)}{x^4}=A$脱帽:$\dfrac{x\sin x+f(x)}{x^4}=A+\alpha$
得到:$f(x)=Ax^4+\alpha\cdot x^4-(x-\sin x)$
反代入:$\lim_{x\to 0}\dfrac{f(x)}{x^3}=\lim_{x\to 0}\dfrac{Ax^4+\alpha\cdot x^4-x+\sin x}{x^3}=0+0-\dfrac{1}{6}=-\dfrac{1}{6}$
$\therefore \lim_{x\to 0}\dfrac{x^3}{f(x)}=-6$
解法二:
$\lim_{x\to 0}\dfrac{x\sin x+f(x)}{x^4}=A$,而目标是$x^3$,所以需要变形:
$
\begin{aligned}
& \lim_{x\to 0}\dfrac{x\sin x+f(x)}{x^4}=A \\
& \lim_{x\to 0}\dfrac{x\sin x+f(x)\cdot x}{x^4}=A\cdot\lim_{x\to 0}x=0 \\
& \lim_{x\to 0}\dfrac{x-\sin x}{x^3}+\lim_{x\to 0}\dfrac{f(x)}{x^3}=0 \\
& \text{泰勒展开:}x-\sin x=\dfrac{1}{6}x^3 \\
& \lim_{x\to 0}\dfrac{f(x)}{x^3}=-\dfrac{1}{6} \\
& \lim_{x\to 0}\dfrac{x^3}{f(x)}=-6
\end{aligned}
$
\subsection{求参数}
因为求参数类型的题目中式子是未知的,所以求导后也是未知的,所以一般不要使用洛必达法则,而使用泰勒展开。
一般极限式子右侧等于一个常数,或是表明高阶或低阶。具体的关系参考无穷小比阶。
\textbf{例题15}$\lim_{x\to 0}\dfrac{\ln(1+x)-(ax+bx^2)}{x^2}=2$求常数ab。
根据泰勒展开式:$x\to 0,\ln(1+x)=x-\dfrac{x^2}{x}+o(x^2)$
$
\begin{aligned}
& \lim_{x\to 0}\dfrac{\ln(1+x)-(ax+bx^2)}{x^2}=2 \\
& =\lim_{x\to 0}\dfrac{(1-a)x-\left(\dfrac{1}{2}+b\right)x^2+o(x^2)}{x^2}=2\neq 0 \\
& 1-a=0;-\left(\dfrac{1}{2}+b\right)=2 \\
& \therefore a=1;b=-\dfrac{5}{2}
\end{aligned}
$
\textcolor{orange}{注意:}根据泰勒公式,$x-\ln(1+x)\sim\dfrac{1}{2}x^2\sim 1-\cos x$
函数的连续与间断是逐点的概念。
\section{连续}
\subsection{定义}
若函数$f(x)$在点$x_0$的某一邻域内有定义,且有$\lim_{x\to x_0}f(x)=f(x_0)$,则称函数$f(x)$在点$x_0$处连续。
极限值等于函数值,则该点连续。
\section{间断}
讨论间断只看两类点:分段函数分段点,无定义点。
\subsection{定义}
若函数$f(x)$在点$x_0$的某一去心邻域内有定义,且有$\lim_{x\to x_0}f(x)\neq f(x_0)$,则称函数$f(x)$在点$x_0$处间断。
极限值不等于函数值,则该点间断。
\subsection{分类}
\subsubsection{可去间断点}
\subsubsection{可去间断点(可补间断点)}
$\lim_{x\to x_0}f(x)=A\neq f(x_0)$(甚至可以没有定义)。
\begin{tikzpicture}
\draw[-latex](-0.5,0) -- (3,0) node[below]{$x$};
\draw[-latex](0,-0.5) -- (0,3) node[above]{$y$};
\filldraw[black] (0,0) node[below]{$O$};
\draw[black, thick, domain=-0.5:2] plot (\x,{pow(e,\x-1)});
\filldraw[white, draw=black, line width=1pt] (1,1) circle (2pt);
\draw[black, densely dashed](1,2) -- (0,2) node[left]{$B$};
\draw[black, densely dashed](1,1) -- (0,1) node[left]{$A$};
\draw[black, densely dashed](1,2) -- (1,0) node[below]{$x_0$};
\filldraw[black] (1,2) circle (2pt) node[above]{$f(x_0)=B$};
\filldraw[black] (1,1) node[right]{$\lim_{x\to x_0}=A$};
\end{tikzpicture}
\subsubsection{跳跃间断点}
$\lim_{x\to x_0^-}f(x)$$\lim_{x\to x_0^+}$都存在,但是$\lim_{x\to x_0^-}f(x)\neq\lim_{x\to x_0^+}$
\begin{tikzpicture}
\draw[-latex](-0.5,0) -- (3,0) node[below]{$x$};
\draw[-latex](0,-0.5) -- (0,3) node[above]{$y$};
\filldraw[black] (0,0) node[below]{$O$};
\draw[black, thick, domain=-0.5:1] plot (\x,{pow(e,\x-1)});
\draw[black, thick, domain=1:1.5] plot (\x,{pow(e,\x-1)+1});
\filldraw[white, draw=black, line width=1pt] (1,1) circle (2pt);
\draw[black, densely dashed](1,2) -- (0,2) node[left]{$B$};
\draw[black, densely dashed](1,1) -- (0,1) node[left]{$A$};
\draw[black, densely dashed](1,2) -- (1,0) node[below]{$x_0$};
\filldraw[black] (1,2) circle (2pt) node[above]{$f(x_0)=B$};
\filldraw[black] (1,1) node[right]{$\lim_{x\to x_0}=A$};
\end{tikzpicture}
可去间断点与跳跃间断点都称为第一类间断点。
\subsubsection{无穷间断点}
$\lim_{x\to x_0}f(x)=\infty$,或至少一个方向为无穷大(定义分歧)。如$y=\dfrac{1}{x}$$x=0$处为无穷间断点。
\begin{tikzpicture}
\draw[-latex](-2,0) -- (2,0) node[below]{$x$};
\draw[-latex](0,-2) -- (0,2) node[above]{$y$};
\filldraw[black] (0,0) node[below]{$O$};
\draw[black, thick, domain=0.5:2] plot (\x,{pow(\x,-1)});
\draw[black, thick, domain=-2:-0.5] plot (\x,{pow(\x,-1)});
\end{tikzpicture}
\subsubsection{振荡间断点}
$\lim_{x\to x_0}f(x)$为振荡不存在。如$\lim_{x\to 0}\sin\dfrac{1}{x}$$x=0$就是振荡间断点。
\begin{tikzpicture}
\draw[-latex](-2,0) -- (2,0) node[below]{$x$};
\draw[-latex](0,-1.5) -- (0,1.5) node[above]{$y$};
\filldraw[black] (0,0) node[below]{$O$};
\draw[black, thick, domain=0.01:2] plot (\x,{sin(pow(\x,-1) r)});
\draw[black, thick, domain=-2:-0.01] plot (\x,{sin(pow(\x,-1) r)});
\end{tikzpicture}
无穷间断点与振荡间断点都是第二类间断点。
\textcolor{orange}{注意:}两侧邻域都有定义才能讨论间断点问题。
\textbf{例题16}$f(x)=\left\{
\begin{array}{lcl}
2x+a, & & x\leqslant 0 \\
e^x(\sin x+\cos x), & & x>0
\end{array} \right.
$$(-\infty,+\infty)$内连续,求$a$
因为连续,所以$f(0)=\lim_{x\to 0^+}f(x)=\lim_{x\to 0^-}f(x)$
$\therefore a=1$
\textbf{例题17}若函数$f(x)=\dfrac{\ln\vert x\vert}{\vert x-1\vert}\sin x$则x的间断点类型是
由式子的分式部分可知有两个无定义的间断点:$x=0$$x=1$
$\lim_{x\to 1}f(x)=\lim_{x\to 1}\dfrac{x-1}{\vert x-1\vert}\sin x=\left\{
\begin{array}{lcl}
x\to 1^+ & \rightarrow & \sin 1 \\
x\to 1^- & \rightarrow & -\sin 1
\end{array} \right.
$
所以$x=1$跳跃间断点。
$\lim_{x\to 0}f(x)=\lim_{x\to 0}\ln\vert x\vert\cdot\sin x=\lim_{x\to 0}x\ln\vert x\vert=0$
$x=0$未定义,所以其为可去间断点。
\end{document}

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@@ -0,0 +1,48 @@
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\author{Didnelpsun}
\title{一元函数微分学}
\begin{document}
\maketitle
\thispagestyle{empty}
\tableofcontents
\thispagestyle{empty}
\newpage
\pagestyle{plain}
\setcounter{page}{1}
\section{概念}
\subsection{引例}
\subsection{导数}
\subsection{微分}
\section{导数与微分计算}
\subsection{四则运算}
\subsection{分段函数的导数}
\subsection{复合函数的导数与微分形式不变性}
\subsection{反函数导数}
\subsection{参数方程函数导数}
\subsection{隐函数求导法}
\subsection{对数求导法}
\subsection{幂指函数求导法}
\subsection{高阶导数}
\subsubsection{归纳法}
\subsubsection{莱布尼茨公式}
\subsubsection{泰勒公式}
\subsection{变限积分求导公式}
\subsection{基本求导公式}
\end{document}