高等数学-函数与极限.ppt

微积分（高等数学）,中国药科大学龙益如,01,初等数学预备知识,03,导数与微分,05,不定积分,07,多元函数微分学,02,极限与连续,04,导数的应用,06,定积分,08,微分方程,C,目录,ONTENTS,2020/6/1,函数与极限,3,数学既是对于自然界事实的总结和归纳，如英国的哲学家培根所说“一切多依赖于我们把眼睛紧盯在自然界的事实之上”；又是抽象思考的结果，如法国哲学家笛卡尔所说“我思故我在”。这两个方法造就了目前绚丽多彩，美丽非凡的数学，非常值得欣赏。,从事科学研究，最重要的是掌握思维方法。在这里，我举两个例子：牛顿是伟大的物理学家和数学家，他在自然哲学的数学原理中叙述了四条法则。其中“法则1：除那些真实而已足够说明其现象者外，不必去寻找自然界事物的其他原因”。这条法则后来被人们称作“简单性原则”，正如爱因斯坦所说：“从希腊哲学到现代物理学的整个科学史中，不断有人力图把表面上极为复杂的自然现象归结为几个简单的基本概念和关系。这就是整个自然哲学的基本原理。”,2020/6/1,函数与极限,4,一、基本概念,2020/6/1,函数与极限,5,1.集合:,具有某种特定性质的事物的总体.,组成这个集合的事物称为该集合的元素.,有限集,无限集,2020/6/1,函数与极限,6,数集分类:,N-自然数集,Z-整数集,Q-有理数集,R-实数集,数集间的关系:,例如,不含任何元素的集合称为空集.,例如,规定,空集为任何集合的子集.,2020/6/1,函数与极限,7,2.区间:,是指介于某两个实数之间的全体实数.这两个实数叫做区间的端点.,称为开区间,称为闭区间,2020/6/1,函数与极限,8,称为半开区间,称为半开区间,有限区间,无限区间,区间长度的定义:,两端点间的距离(线段的长度)称为区间的长度.,2020/6/1,函数与极限,9,3.邻域:,2020/6/1,函数与极限,10,4.常量与变量:,在某过程中数值保持不变的量称为常量,注意,常量与变量是相对“过程”而言的.,通常用字母a,b,c等表示常量,而数值变化的量称为变量.,常量与变量的表示方法：,用字母x,y,t等表示变量.,2020/6/1,函数与极限,11,5.绝对值:,运算性质:,绝对值不等式:,2020/6/1,函数与极限,12,因变量,自变量,数集D叫做这个函数的定义域,二、函数概念,2020/6/1,函数与极限,13,自变量,因变量,对应法则f,函数的两要素:,定义域与对应法则.,约定:定义域是自变量所能取的使算式有意义的一切实数值.,2020/6/1,函数与极限,14,定义:,如果自变量在定义域内任取一个数值时，对应的函数值总是只有一个，这种函数叫做单值函数，否则叫与多值函数,2020/6/1,函数与极限,15,(1)符号函数,几个特殊的函数举例,2020/6/1,函数与极限,16,(2)取整函数y=xx表示不超过的最大整数,阶梯曲线,2020/6/1,函数与极限,17,(3)狄利克雷函数,2020/6/1,函数与极限,18,(4)取最值函数,2020/6/1,函数与极限,19,2020/6/1,函数与极限,20,例1,脉冲发生器产生一个单三角脉冲,其波形如图所示,写出电压U与时间的函数关系式.,解,单三角脉冲信号的电压,2020/6/1,函数与极限,21,2020/6/1,函数与极限,22,例2,解,故,三、函数的特性,2020/6/1,函数与极限,23,有界,无界,1函数的有界性:,2020/6/1,函数与极限,24,2函数的单调性:,2020/6/1,函数与极限,25,2020/6/1,函数与极限,26,3函数的奇偶性:,偶函数,2020/6/1,函数与极限,27,奇函数,2020/6/1,函数与极限,28,4函数的周期性:,（通常说周期函数的周期是指其最小正周期）.,2020/6/1,函数与极限,29,直接函数与反函数的图形关于直线对称.,四、反函数,五、小结,2020/6/1,函数与极限,30,基本概念集合,区间,邻域,常量与变量,绝对值.,函数的概念,函数的特性有界性,单调性,奇偶性,周期性.,反函数,2020/6/1,函数与极限,31,思考题,2020/6/1,函数与极限,32,思考题解答,设,则,故,2020/6/1,函数与极限,33,练习题,2020/6/1,函数与极限,34,2020/6/1,函数与极限,35,练习题答案,2020/6/1,函数与极限,36,一、基本初等函数,2020/6/1,函数与极限,37,1.幂函数,2020/6/1,函数与极限,38,2.指数函数,2020/6/1,函数与极限,39,3.对数函数,2020/6/1,函数与极限,40,4.三角函数,正弦函数,2020/6/1,函数与极限,41,余弦函数,2020/6/1,函数与极限,42,正切函数,2020/6/1,函数与极限,43,余切函数,2020/6/1,函数与极限,44,正割函数,2020/6/1,函数与极限,45,余割函数,2020/6/1,函数与极限,46,5.反三角函数,2020/6/1,函数与极限,47,2020/6/1,函数与极限,48,2020/6/1,函数与极限,49,幂函数,指数函数,对数函数,三角函数和反三角函数统称为基本初等函数.,二、复合函数初等函数,2020/6/1,函数与极限,50,1.复合函数,定义:,2020/6/1,函数与极限,51,注意:,1.不是任何两个函数都可以复合成一个复合函数的;,2.复合函数可以由两个以上的函数经过复合构成.,2.初等函数,由常数和基本初等函数经过有限次四则运算和有限次的函数复合步骤所构成并可用一个式子表示的函数,称为初等函数.,2020/6/1,函数与极限,52,例1,解,2020/6/1,函数与极限,53,综上所述,三、双曲函数与反双曲函数,2020/6/1,函数与极限,54,奇函数.,偶函数.,1.双曲函数,2020/6/1,函数与极限,55,奇函数,有界函数,2020/6/1,函数与极限,56,双曲函数常用公式,2020/6/1,函数与极限,57,2.反双曲函数,奇函数,2020/6/1,函数与极限,58,2020/6/1,函数与极限,59,奇函数,四、小结,2020/6/1,函数与极限,60,函数的分类:,函数,初等函数,非初等函数(分段函数,有无穷多项等函数),代数函数,超越函数,有理函数,无理函数,有理整函数(多项式函数),有理分函数(分式函数),2020/6/1,函数与极限,61,思考题,2020/6/1,函数与极限,62,思考题解答,不能,2020/6/1,函数与极限,63,一、填空题:,练习题,2020/6/1,函数与极限,64,2020/6/1,函数与极限,65,练习题答案,2020/6/1,函数与极限,66,2020/6/1,函数与极限,67,一、概念的引入,2020/6/1,函数与极限,68,“割之弥细，所失弥少，割之又割，以至于不可割，则与圆周合体而无所失矣”,1、割圆术：,播放,刘徽,2020/6/1,函数与极限,69,正六边形的面积,正十二边形的面积,正形的面积,2020/6/1,函数与极限,70,2、截丈问题：,“一尺之棰，日截其半，万世不竭”,二、数列的定义,2020/6/1,函数与极限,71,例如,2020/6/1,函数与极限,72,注意：,1.数列对应着数轴上一个点列.可看作一动点在数轴上依次取,2.数列是整标函数,2020/6/1,函数与极限,73,播放,三、数列的极限,2020/6/1,函数与极限,74,问题:,当无限增大时,是否无限接近于某一确定的数值?如果是,如何确定?,问题:,“无限接近”意味着什么?如何用数学语言刻划它.,通过上面演示实验的观察:,2020/6/1,函数与极限,75,2020/6/1,函数与极限,76,如果数列没有极限,就说数列是发散的.,注意：,2020/6/1,函数与极限,77,几何解释:,其中,2020/6/1,函数与极限,78,数列极限的定义未给出求极限的方法.,例1,证,所以,注意：,2020/6/1,函数与极限,79,例2,证,所以,说明:常数列的极限等于同一常数.,小结:,用定义证数列极限存在时,关键是任意给定寻找N,但不必要求最小的N.,2020/6/1,函数与极限,80,例3,证,2020/6/1,函数与极限,81,例4,证,四、数列极限的性质,2020/6/1,函数与极限,82,1.有界性,例如,有界,无界,2020/6/1,函数与极限,83,定理1收敛的数列必定有界.,证,由定义,注意：有界性是数列收敛的必要条件.,推论无界数列必定发散.,2020/6/1,函数与极限,84,2.唯一性,定理2每个收敛的数列只有一个极限.,证,由定义,故收敛数列极限唯一.,2020/6/1,函数与极限,85,例5,证,由定义,区间长度为1.,不可能同时位于长度为1的区间内.,3.(收敛数列与其子数列间的关系)如果数列收敛于a，那么它的任一子数列也收敛，且极限也是a,2020/6/1,函数与极限,86,五.小结,2020/6/1,函数与极限,87,数列:研究其变化规律;,数列极限:极限思想,精确定义,几何意义;,收敛数列的性质:有界性唯一性.,2020/6/1,函数与极限,88,思考题,证明,要使,只要使,从而由,得,取,当时，必有成立,2020/6/1,函数与极限,89,思考题解答,（等价）,证明中所采用的,实际上就是不等式,即证明中没有采用“适当放大”的值,2020/6/1,函数与极限,90,从而时，,仅有成立，,但不是的充分条件,反而缩小为,2020/6/1,函数与极限,91,练习题,2020/6/1,函数与极限,92,“割之弥细，所失弥少，割之又割，以至于不可割，则与圆周合体而无所失矣”,1、割圆术：,刘徽,一、概念的引入,三、数列的极限,2020/6/1,函数与极限,93,2020/6/1,函数与极限,94,三、数列的极限,2020/6/1,函数与极限,95,三、数列的极限,2020/6/1,函数与极限,96,三、数列的极限,2020/6/1,函数与极限,97,三、数列的极限,2020/6/1,函数与极限,98,三、数列的极限,2020/6/1,函数与极限,99,三、数列的极限,2020/6/1,函数与极限,100,三、数列的极限,2020/6/1,函数与极限,101,三、数列的极限,2020/6/1,函数与极限,102,三、数列的极限,2020/6/1,函数与极限,103,三、数列的极限,2020/6/1,函数与极限,104,三、数列的极限,2020/6/1,函数与极限,105,三、数列的极限,2020/6/1,函数与极限,106,一、自变量趋向无穷大时函数的极限,2020/6/1,函数与极限,107,播放,2020/6/1,函数与极限,108,通过上面演示实验的观察:,问题:,如何用数学语言刻划函数“无限接近”.,2020/6/1,函数与极限,109,2020/6/1,函数与极限,110,2.另两种情形:,2020/6/1,函数与极限,111,3.几何解释:,2020/6/1,函数与极限,112,例1,证,二、自变量趋向有限值时函数的极限,2020/6/1,函数与极限,113,2020/6/1,函数与极限,114,2020/6/1,函数与极限,115,2.几何解释:,注意：,2020/6/1,函数与极限,116,例2,证,例3,证,2020/6/1,函数与极限,117,例4,证,函数在点x=1处没有定义.,2020/6/1,函数与极限,118,例5,证,2020/6/1,函数与极限,119,3.单侧极限:,例如,2020/6/1,函数与极限,120,左极限,右极限,2020/6/1,函数与极限,121,左右极限存在但不相等,例6,证,三、函数极限的性质,2020/6/1,函数与极限,122,1.有界性,2.唯一性,2020/6/1,函数与极限,123,推论,3.不等式性质,定理(保序性),2020/6/1,函数与极限,124,定理(保号性),推论,2020/6/1,函数与极限,125,4.子列收敛性(函数极限与数列极限的关系),定义,定理,2020/6/1,函数与极限,126,证,2020/6/1,函数与极限,127,例如,函数极限与数列极限的关系,函数极限存在的充要条件是它的任何子列的极限都存在,且相等.,2020/6/1,函数与极限,128,例7,证,2020/6/1,函数与极限,129,二者不相等,四、小结,2020/6/1,函数与极限,130,函数极限的统一定义,(见下表),2020/6/1,函数与极限,131,2020/6/1,函数与极限,132,思考题,2020/6/1,函数与极限,133,思考题解答,左极限存在,右极限存在,不存在.,2020/6/1,函数与极限,134,一、填空题:,练习题,2020/6/1,函数与极限,135,2020/6/1,函数与极限,136,练习题答案,2020/6/1,函数与极限,137,一、自变量趋向无穷大时函数的极限,2020/6/1,函数与极限,138,一、自变量趋向无穷大时函数的极限,2020/6/1,函数与极限,139,一、自变量趋向无穷大时函数的极限,2020/6/1,函数与极限,140,一、自变量趋向无穷大时函数的极限,2020/6/1,函数与极限,141,一、自变量趋向无穷大时函数的极限,2020/6/1,函数与极限,142,一、自变量趋向无穷大时函数的极限,2020/6/1,函数与极限,143,一、自变量趋向无穷大时函数的极限,2020/6/1,函数与极限,144,一、自变量趋向无穷大时函数的极限,2020/6/1,函数与极限,145,一、自变量趋向无穷大时函数的极限,2020/6/1,函数与极限,146,一、无穷小,2020/6/1,函数与极限,147,1.定义:,极限为零的变量称为无穷小.,2020/6/1,函数与极限,148,例如,注意,1.无穷小是变量,不能与很小的数混淆;,2.零是可以作为无穷小的唯一的数.,2020/6/1,函数与极限,149,2.无穷小与函数极限的关系:,证,必要性,充分性,2020/6/1,函数与极限,150,意义,1.将一般极限问题转化为特殊极限问题(无穷小);,3.无穷小的运算性质:,定理2在同一过程中,有限个无穷小的代数和仍是无穷小.,证,2020/6/1,函数与极限,151,注意无穷多个无穷小的代数和未必是无穷小.,2020/6/1,函数与极限,152,定理3有界函数与无穷小的乘积是无穷小.,证,2020/6/1,函数与极限,153,推论1在同一过程中,有极限的变量与无穷小的乘积是无穷小.,推论2常数与无穷小的乘积是无穷小.,推论3有限个无穷小的乘积也是无穷小.,都是无穷小,二、无穷大,2020/6/1,函数与极限,154,绝对值无限增大的变量称为无穷大.,2020/6/1,函数与极限,155,特殊情形：正无穷大，负无穷大,注意,1.无穷大是变量,不能与很大的数混淆;,3.无穷大是一种特殊的无界变量,但是无界变量未必是无穷大.,2020/6/1,函数与极限,156,不是无穷大,无界，,2020/6/1,函数与极限,157,证,三、无穷小与无穷大的关系,2020/6/1,函数与极限,158,定理4在同一过程中,无穷大的倒数为无穷小;恒不为零的无穷小的倒数为无穷大.,证,2020/6/1,函数与极限,159,意义关于无穷大的讨论,都可归结为关于无穷小的讨论.,四、小结,2020/6/1,函数与极限,160,1、主要内容:,两个定义;四个定理;三个推论.,2、几点注意:,无穷小与无穷大是相对于过程而言的.,（1）无穷小（大）是变量,不能与很小（大）的数混淆，零是唯一的无穷小的数；,（2）无穷多个无穷小的代数和（乘积）未必是无穷小.,（3）无界变量未必是无穷大.,2020/6/1,函数与极限,161,思考题,2020/6/1,函数与极限,162,思考题解答,不能保证.,例,有,2020/6/1,函数与极限,163,一、填空题:,练习题,2020/6/1,函数与极限,164,2020/6/1,函数与极限,165,练习题答案,一、极限运算法则,2020/6/1,函数与极限,167,定理,证,由无穷小运算法则,得,2020/6/1,函数与极限,168,2020/6/1,函数与极限,169,推论1,常数因子可以提到极限记号外面.,推论2,有界，,二、求极限方法举例,2020/6/1,函数与极限,170,例1,解,2020/6/1,函数与极限,171,小结:,2020/6/1,函数与极限,172,解,商的法则不能用,由无穷小与无穷大的关系,得,例2,2020/6/1,函数与极限,173,解,例3,(消去零因子法),2020/6/1,函数与极限,174,例4,解,(无穷小因子分出法),2020/6/1,函数与极限,175,小结:,无穷小分出法:以分母中自变量的最高次幂除分子,分母,以分出无穷小,然后再求极限.,2020/6/1,函数与极限,176,例5,解,先变形再求极限.,2020/6/1,函数与极限,177,例6,解,2020/6/1,函数与极限,178,例7,解,左右极限存在且相等,三、小结,2020/6/1,函数与极限,179,1.极限的四则运算法则及其推论;,2.极限求法;,a.多项式与分式函数代入法求极限;b.消去零因子法求极限;c.无穷小因子分出法求极限;d.利用无穷小运算性质求极限;e.利用左右极限求分段函数极限.,2020/6/1,函数与极限,180,思考题,在某个过程中，若有极限，无极限，那么是否有极限？为什么？,2020/6/1,函数与极限,181,思考题解答,没有极限,假设有极限，,有极限，,由极限运算法则可知：,必有极限，,与已知矛盾，,故假设错误,2020/6/1,函数与极限,182,一、填空题:,练习题,2020/6/1,函数与极限,183,二、求下列各极限:,2020/6/1,函数与极限,184,2020/6/1,函数与极限,185,练习题答案,一、无穷小的比较,2020/6/1,函数与极限,187,例如,极限不同,反映了趋向于零的“快慢”程度不同.,不可比.,观察各极限,2020/6/1,函数与极限,188,定义:,2020/6/1,函数与极限,189,例1,解,例2,解,2020/6/1,函数与极限,190,常用等价无穷小:,用等价无穷小可给出函数的近似表达式:,例如,二、等价无穷小替换,2020/6/1,函数与极限,191,定理(等价无穷小替换定理),证,2020/6/1,函数与极限,192,例3,解,不能滥用等价无穷小代换.,对于代数和中各无穷小不能分别替换.,注意,2020/6/1,函数与极限,193,例4,解,解,错,2020/6/1,函数与极限,194,例5,解,三、小结,2020/6/1,函数与极限,195,1.无穷小的比较:,反映了同一过程中,两无穷小趋于零的速度快慢,但并不是所有的无穷小都可进行比较.,2.等价无穷小的替换:,求极限的又一种方法,注意适用条件.,高(低)阶无穷小;等价无穷小;无穷小的阶.,2020/6/1,函数与极限,196,思考题,任何两个无穷小量都可以比较吗？,2020/6/1,函数与极限,197,思考题解答,不能,例当时,都是无穷小量,但,不存在且不为无穷大,故当时,2020/6/1,函数与极限,198,练习题,2020/6/1,函数与极限,199,2020/6/1,函数与极限,200,2020/6/1,函数与极限,201,练习题答案,2020/6/1,函数与极限,202,一、函数的连续性,2020/6/1,函数与极限,204,1.函数的增量,2020/6/1,函数与极限,205,2.连续的定义,2020/6/1,函数与极限,206,2020/6/1,函数与极限,207,例1,证,由定义2知,2020/6/1,函数与极限,208,3.单侧连续,定理,2020/6/1,函数与极限,209,例2,解,右连续但不左连续,2020/6/1,函数与极限,210,4.连续函数与连续区间,在区间上每一点都连续的函数,叫做在该区间上的连续函数,或者说函数在该区间上连续.,连续函数的图形是一条连续而不间断的曲线.,例如,2020/6/1,函数与极限,211,例3,证,二、函数的间断点,2020/6/1,函数与极限,212,2020/6/1,函数与极限,213,1.跳跃间断点,例4,解,2020/6/1,函数与极限,214,2.可去间断点,例5,2020/6/1,函数与极限,215,解,注意可去间断点只要改变或者补充间断处函数的定义,则可使其变为连续点.,2020/6/1,函数与极限,216,如例5中,跳跃间断点与可去间断点统称为第一类间断点.,特点,2020/6/1,函数与极限,217,3.第二类间断点,例6,解,2020/6/1,函数与极限,218,例7,解,注意不要以为函数的间断点只是个别的几个点.,2020/6/1,函数与极限,219,狄利克雷函数,在定义域R内每一点处都间断,且都是第二类间断点.,仅在x=0处连续,其余各点处处间断.,2020/6/1,函数与极限,220,在定义域R内每一点处都间断,但其绝对值处处连续.,判断下列间断点类型:,2020/6/1,函数与极限,221,例8,解,三、小结,2020/6/1,函数与极限,222,1.函数在一点连续必须满足的三个条件;,3.间断点的分类与判别;,2.区间上的连续函数;,第一类间断点:可去型,跳跃型.,第二类间断点:无穷型,振荡型.,间断点,(见下图),2020/6/1,函数与极限,223,可去型,第一类间断点,跳跃型,无穷型,振荡型,第二类间断点,2020/6/1,函数与极限,224,思考题,2020/6/1,函数与极限,225,思考题解答,且,2020/6/1,函数与极限,226,但反之不成立.,例,但,2020/6/1,函数与极限,227,练习题,2020/6/1,函数与极限,228,2020/6/1,函数与极限,229,练习题答案,2020/6/1,函数与极限,230,一、四则运算的连续性,2020/6/1,函数与极限,232,定理1,例如,二、反函数与复合函数的连续性,2020/6/1,函数与极限,233,定理2严格单调的连续函数必有严格单调的连续反函数.,例如,反三角函数在其定义域内皆连续.,2020/6/1,函数与极限,234,定理3,证,2020/6/1,函数与极限,235,将上两步合起来:,2020/6/1,函数与极限,236,意义,1.极限符号可以与函数符号互换;,例1,解,2020/6/1,函数与极限,237,例2,解,同理可得,2020/6/1,函数与极限,238,定理4,注意定理4是定理3的特殊情况.,例如,三、初等函数的连续性,2020/6/1,函数与极限,239,三角函数及反三角函数在它们的定义域内是连续的.,