A 一 學習指導 第一章 高數同濟五版上

2021-09-11 06:16:05 字數 5756 閱讀 8448

a(一)學習指導

第一章函式和極限

一、關於函式的四個特性

1. 函式的有界性

定義1 設在數集a上有定義,若,,有,則稱在a上為有界函式,否則,即,,有,則稱在a上為無界函式.

幾何上,若能找到兩條平行的關於x軸對稱的水平直線 ,使在a上的影象夾在兩直線之間的,則稱在a上為有界函式.而無界函式是找不到具有上述性質的兩條平行水平直線的.

分析上,若證明在a上有界,則只要找到一正數m,使,有即可.而若證明在a上無界,則,由,只要找a上一點,使即可.這個既可由不等式解x求得,又可用觀察法.

定義2 設在數集a上有定義,若,,有,則稱在a上是有上界,下界的有界函式.若,,有(或),則稱在a上是有上界(或下界)的函式.

例1 證明在上為有界函式;在上是無界函式.

證因,有,故,,有.即在上為有界函式.

當時,,由,,於是,,有.

故在上為無界函式.

例2 證明在上為無界函式.

證:,由,因,,

令,,有,

故在上為無界函式.

2. 函式的單調性

定義:若,,有(或),則稱在a上為嚴格單調上公升(或單調下降)函式,簡稱單調上公升(或單調下降)函式,用↗(或↘)表示.

注:在a上單調下降的箭頭表示不可為「↙」.

若,,有(或),則稱在a上為一般單調上公升(或單調下降)函式.

在書本中若無特殊說明,函式單調性討論都指嚴格單調性的討論.

對數列:

若有(或),則稱為單調上公升(或下降)數列.

若有(或),則稱為一般單調上公升(或下降)數列.

注:驗證乙個函式在區間a上的單調性,根據定義,必須在a上任取兩點來比較其函式值大小(在第三章可用導數符號來討論函式單調性).

例3若在上為偶函式,又在上↗。

證明在上↘。

證:,,.

因為偶函式,又在上↗,所以,

故在上↘.

3. 函式的奇偶性

⑴定義:若在對稱區間a上有定義.,此時,,有(或),則稱在a上為奇函式(或偶函式).

幾何上,若在a上為奇(或偶)函式,則在a上的影象關於原點(或y軸)對稱.

⑵在對稱區間a上非奇非偶函式的判定:

幾何上,若曲線在a上影象既不關於y軸對稱,又不關於原點對稱,則在a上必是非奇非偶函式.

分析上,它是奇偶性定義的否定命題.因此只要驗證,,使得,同時,則在a上為非奇非偶函式.

注意:上述兩式絕不是,.

⑶由函式的奇偶性的幾何特性,可以容易地把定義在上的函式在進行延拓,以得到乙個新的函式,使在上為奇函式或偶函式.

①把,,作關於原點對稱的影象,如圖所示.於是

在上為奇函式.

圖圖② 把,作關於y軸對稱影象,如圖所示.於是

在上為偶函式.

例4 討論下列函式的奇偶性:

⑴(,它是以乙個特殊無理數為底數的對數函式)

解:,,.

故在上為奇函式.

⑵解:,.

故在上為偶函式.

注:是奇函式.但對不要因看到指數3就誤認為是奇函式.

⑶解:,

,,,.

故在是非奇非偶函式.

注:下面證明對嗎:因,,,,故為非奇非偶函式.

4. 函式的週期性

定義:設的定義域為一無限區間,例如:.若,,有,則稱是週期為t的函式.

一般說來,高等數學中討論的週期t都是指最小正週期.

例如:的週期為.

如果的週期為t,則都為週期,即.

如果的週期為t,則只要知道在乙個長度為週期的區間(例如:或)上的表示式,就可利用週期性知道在其定義域內所有點的函式值.

例5 是週期為的奇函式,在上的函式值已知,

例如:,則.

圖例6 設週期為1,時,,試作出在上的影象,並求:;.

解:在上的影象如所示.,.

例7 設,試證明是週期為1的函式,並求.

證:因,,

,故是週期為1的函式.

.注:是不超過x的最大整數,而是表示乙個正小數或零,並且,當時,,因此,就是例6中的函式.

二、函式和復合函式

1. 函式定義

設有非空數集和實數集.若,按某一法則f,總能對應r中唯一實數y,則稱對應法則f為定義在a上的函式.一般用數學記號表示如下:

f:其對映圖如圖所示.圖注:

①函式定義兩個要素:定義域和對應法則.如果兩個函式有相同的定義域和相同的對應法則,不管變數採用什麼記號,都應視為同一函式.例如:,是同一正弦三角函式,可記為,.

②不同的函式一般可用不同對應法則所表示的不同字母來表示.如用等表示.

2. 分段函式

分段函式是表示乙個函式,並且是在自變數x的不同範圍內對應法則f用不同式子表示的乙個函式.常見分段函式有兩種形式:

⑴; ⑵.

式中,,,是x的乙個表示式,是分段函式的交接點.

3. 復合函式

⑴定義:設的定義域為u,而的定義域為a,值域為,並且,,則在a上稱是的以中間變數為的復合函式.記為

.復合函式:

其對映圖如圖所示.圖注:

①.②的定義域a的確定是使有意義的x全體.

⑵把乙個復合函式分解成幾個簡單函式的復合.例如:

①,它由,,,復合而成.

②(,)稱為2的指方,不是的x指方.即

它由,復合而成.

注:對嗎?

③設,是兩個x的表示式,,稱為冪指函式.

,它由,復合而成.

恒等式務必熟記.以後對進行分析運算時,往往化為對的分析運算.

⑶把幾個簡單函式復合成乙個函式.

例1 ,,求:;.

解:,,.

故.例2 設,,

求:;;.

解:①求時,應根據分段函式自變數的分段情況,對的值域進行分段討論,從而確定自變數的分段情況.

,時,;

,時,.

故,.②求時,只要根據的分段情況來討論即可..

③求時,根據的自變數x的分段情況確定相應的值域範圍,結合的分段情況得到相應..

時,,此時,有;,有.

故時,;

時,;時,,故;

時,,有,;

,有,.

故 ⑷由復合函式求函式.由求有兩種方法:

①令,解,於是,,;

②把化為,則.

例3 設,求.

解:令,,於是,,

故.例4 設,求.

解:由解x較繁,可由湊表示式,

因,故.

例5 設,,且,求及其定義域.

解:因為,又因為,,其定義域為,故.

三、正確表達和理解極限定義中的邏輯關係

1. 數列極限的定義

若時,,稱是極限為a的收斂數列,記為.要反映這兩個無限接近的分析定義為:,,,有.

其中:①正數首先具有任意性,只有這樣,由才能反映數列無限接近於a,為此,以小為貴.其次,正數還具有相對固定性,即一旦給出一些充分小的正數,就應把暫時看作固定不變,此時,就可以由確定相應的n.為此有

等價定義1:若(,為某一正數),,,有,則

.② 正整數n表示時和a接近的程度.如①所述,對任意給定的,由可確定n.因此,一般說來,n是隨的變化而變化的,並且,當取越小的正數時,相應的n就越大.另外,在定義中,,,有,沒有要求第n項以前的非要.因此,此n不是唯一的.即如果,,,有,那麼,比n大的任一正整數仍然滿足定義要求.為此有

等價定義2:若,,,有,則.

③ 由於為任意給定的正數,所以,,,,,等也是任意給定的正數(其中m為某一正常數).為此有

等價定義3:若,,,,有,則.

④ 對於兩個不同的收斂數列,,,分別無限接近於a,b都可用同一尺度來衡量,但是接近的程度,即n的選取,一般說來是不相同的.所以,若有,則,,,有;,則,,有,.

⑤ 下列敘述極限定義是錯誤的:

(ⅰ)因為,所以;或,有;或,,,有.

(ⅱ)因為;或,有;或,,,有,所以.

2. 函式極限定義的「」,「」語言

⑴:,,,有;

左極限,即:,,,有;

右極限,即:,,,有.

特別地,當時,記為

注:當時,,.

⑵ :,,,有.

單側極限::,,,有.

:,,,有.

⑶注:①在有無極限和在有無定義毫無關係.

②單側極限不能記為.

③不是函式值,它是在的左右極限.

3. 兩個結論

⑴.由此當,至少有乙個不存在時,或當時,則不存在.

⑵.由此當,至少有乙個不存在時,或當時,則不存在.

4. 熟練掌握並應用極限的三大性質(特別是保號性)

⑴唯一性:

數列:若收斂於a,則a是唯一的.

函式:若或,則a是唯一的.

⑵有界性和區域性有界性:

有界性:若是收斂數列,則必是有界數列,反之不然.

區域性有界性:

(ⅰ)若,則,,,有.

(ⅱ)若,則,,,有.

⑶保號性:

①數列:若,,,則,,有.

推論:(ⅰ)若,則,,有.

(ⅱ)若,則,,有.

(ⅲ)若,,又,,有(或),則.

②函式:以為例.若,,.則,,有.

推論:(ⅰ)若,則,,有.

(ⅱ)若,則,,有.

(ⅲ)若,,又,,有(或),則.

例1若,證明是的乙個極小值.

證:因,

由保號性知:,,有,即.

故是的乙個極小值.

5. 利用極限定義驗證極限的方法

以和為例:

⑴方法一(直接法):

①若關於n的表示式比較簡單,就可以直接由解,此時,令即可(若解出,則肯定是錯誤的).

②若關於的表示式比較簡單,就可以直接由解,此時,令即可(由不是解x的不等式,而要解的不等式.若解出,則肯定是錯誤的).

例2試利用定義證明下列極限:

①當時,;②;③;④。

證①當時,自然收斂於0;

當時,,由,.

因,,故.當時,,.

於是 ,,有.

故當時,.從而當時,都有.

②,因時,,,.

於是,,,有.即.

③(由於關於x的表示式比較簡單,但由解較為困難.現利用左右極限來證明.)

先證:,當時,,.

故,,,有.即.

再證:,當時,,,時,.於是 ,,,有.即.因,故.

④,由,,

當時,.於是 ,,,有.即.

注:同理可證.由於,所以不存在.

⑵方法二(適當放大技巧):

①若關於n的表示式比較複雜,即由解n不簡便,則可利用適當放大技巧.即若,,有.且滿足:

(ⅰ);

(ⅱ)關於n的表示式比較簡單,即由解方便.於是

②若關於的表示式比較複雜,即由解不簡便,則可利用適當放大技巧.即首先選取適當(注意「適當」,一般以小為妥),,有(注意:此不等式不要求對所有x成立,只要求在內成立即可).且滿足:

(ⅰ);

(ⅱ)關於的表示式比較簡單,即由解方便,則令.

③在利用適當放大技巧證明極限時,會正確使用下列不等式:

(ⅰ)若,則;.

(ⅱ)對:若要放大,有;若要縮小,有.

例3試利用定義證明下列極限:

①;②有;

③;④.

證:①,,,

故,,,有.即.

②,由,因,令.

當時,,有,.

故,,,有.

即.③,由,令.

當時(如圖所示),,有

,.故,,,有,即.

圖④,由,

.故,,,有.

即.6. 關於無窮大和無窮小

⑴定義若(或∞),則稱數列是無窮小數列(或無窮大數列);

若(或∞),則稱當時為無窮小(或無窮大);

若(或∞),則稱當時為無窮小(或無窮大).

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