10.8Python数学基础-函数与极限
函数与极限
1. 函数的概念
1.1 函数的定义
在数学中,函数是一种将一个集合(称为定义域)中的每个元素对应到另一个集合(称为值域)中的唯一元素的关系。形式上,如果有一个规则 f,使得对于定义域 A 中的每个元素 x,都有一个唯一的元素 y 在值域 B 中与之对应,那么我们称 f 为从 A 到 B 的函数,记作 y = f(x),其中 x 属于 A。
1.2 函数的要素
- 自变量:函数中的输入值,通常记作 x。
- 因变量:函数中的输出值,通常记作 y 或 f(x)。
- 定义域:函数可以接受的所有输入值的集合。
- 值域:函数所有可能输出值的集合。
例子:
确定函数
f ( x ) = 1 x 2 − 4 f(x)=\dfrac{1}{x^{2}−4} f(x)=x2−41
的定义域和值域。
解:
定义域:
-
分母
x 2 − 4 x^{2}−4 x2−4
不能为零,因此我们需要解方程
x 2 − 4 = 0 x^{2}−4=0 x2−4=0
。 -
解得 x=2或 x=−2。
-
因此,定义域是所有不等于 2 和 −2 的实数,即
( − ∞ , − 2 ) ∪ ( − 2 , 2 ) ∪ ( 2 , + ∞ ) ( -\infty ,-2) \cup ( -2,2) \cup( 2,+\infty) (−∞,−2)∪(−2,2)∪(2,+∞)
值域:
-
观察函数
f ( x ) = 1 x 2 − 4 f(x)=\dfrac{1}{x^{2}−4} f(x)=x2−41
,分母
x 2 − 4 x^{2}−4 x2−4
的取值范围是
( − ∞ , − 4 ) ∪ ( − 4 , + ∞ ) (-\infty,-4) \cup (-4,+\infty) (−∞,−4)∪(−4,+∞) -
因此,函数的值域是所有非零实数,即
( − ∞ , 0 ) ∪ ( 0 , + ∞ ) (-\infty,0)\cup(0,+\infty) (−∞,0)∪(0,+∞)
1.3 函数的类型
以下是一些常见的函数类型及其例子:
-
多项式函数:
- 例如,二次函数 f ( x ) = x 2 − 3 x + 2 f(x) = x^2 - 3x + 2 f(x)=x2−3x+2。
-
指数函数:
- 例如,指数增长函数 f ( x ) = e x f(x) = e^x f(x)=ex。
-
对数函数:
- 例如,自然对数函数 f ( x ) = ln ( x ) f(x) = \ln(x) f(x)=ln(x)。
-
三角函数:
- 例如,正弦函数 f ( x ) = sin ( x ) f(x) = \sin(x) f(x)=sin(x)。
-
反三角函数:
- 例如,反正弦函数 f ( x ) = arcsin ( x ) f(x) = \arcsin(x) f(x)=arcsin(x)。
-
分段函数:
- 例如,绝对值函数 f ( x ) = ∣ x ∣ f(x) = |x| f(x)=∣x∣。
1.4 确定函数的定义域和值域
- 定义域的确定通常涉及排除那些使函数无意义的 x x x 值,例如分母为零的情况、对数函数中的负数和零、平方根中的负数等。
- 值域的确定通常需要分析函数的性质,如连续性、单调性以及极值点的存在。
例子:
确定函数 f ( x ) = ( x − 1 ) 2 f(x) = (x - 1)^2 f(x)=(x−1)2 的定义域和值域。
解:
- 定义域:由于 f ( x ) f(x) f(x) 是一个多项式函数,它在实数集 R \mathbb{R} R 上都有定义,因此定义域是 R \mathbb{R} R。
- 值域:因为 ( x − 1 ) 2 (x - 1)^2 (x−1)2 总是非负的,所以函数的最小值是 0(当 x = 1 x = 1 x=1 时)。因此,值域是 [ 0 , + ∞ ) [0, +\infty) [0,+∞)。
2. 极限的概念
2.1 极限的定义
极限是数学分析中的一个基本概念,它描述了一个函数(或数列)在某个点附近的行为。形式上,如果当 x 趋近于 a 时,函数 f(x) 的值无限接近于一个确定的数 L,那么我们说 f(x) 当 x 趋近于 a 时的极限是 L,记作
lim x → a f ( x ) = L \lim_{{x \to a}} f(x) = L x→alimf(x)=L
2.2 极限的性质
- 唯一性:一个函数在某个点的极限是唯一的。
- 局部保号性:如果
lim x → a f ( x ) = L \lim_{{x \to a}} f(x) = L x→alimf(x)=L
且 L > 0(或 L < 0),那么在 a 的某个邻域内,f(x) 将保持正号(或负号)。
当然,以下是按照您提供的格式要求,使用Markdown和LaTeX格式编写的笔记内容:
2.3 无穷大与无穷小
定义
- 无穷大:当自变量 ( x ) 趋近于某个值时,函数值 ( f(x) ) 的绝对值无限增大,记作 lim x → a f ( x ) = ∞ \lim_{x \to a} f(x) = \infty x→alimf(x)=∞ 或 lim x → a f ( x ) = − ∞ \lim_{x \to a} f(x) = -\infty x→alimf(x)=−∞(取决于增减方向)。
- 无穷小:当自变量 ( x ) 趋近于某个值时,函数值 ( f(x) ) 的绝对值可以任意小,即趋近于0,记作 lim x → a f ( x ) = 0 \lim_{x \to a} f(x) = 0 x→alimf(x)=0。
性质
- 无穷大的性质
- 若 lim x → a f ( x ) = ∞ \lim_{x \to a} f(x) = \infty x→alimf(x)=∞,则对于任意的正数 ( M > 0 ),存在一个正数 ( \delta > 0 ),使得当 0 < ∣ x − a ∣ < δ 0 < |x - a| < \delta 0<∣x−a∣<δ 时, ∣ f ( x ) ∣ > M |f(x)| > M ∣f(x)∣>M 成立。
- 无穷小的性质
- 若 lim x → a f ( x ) = 0 \lim_{x \to a} f(x) = 0 x→alimf(x)=0,则对于任意的正数 ( \epsilon > 0 ),存在一个正数 ( \delta > 0 ),使得当 0 < ∣ x − a ∣ < δ 0 < |x - a| < \delta 0<∣x−a∣<δ 时, ∣ f ( x ) ∣ < ϵ |f(x)| < \epsilon ∣f(x)∣<ϵ 成立。
例题
计算以下极限:
lim x → 0 1 x 2 \lim_{x \to 0} \frac{1}{x^2} x→0limx21
解:由于 1 x 2 \frac{1}{x^2} x21 当 ( x ) 接近0时趋向于无穷大,因此该极限为无穷大。
lim x → 0 1 x 2 = ∞ \boxed{\lim_{x \to 0} \frac{1}{x^2} = \infty} x→0limx21=∞
lim x → 0 sin x x \lim_{x \to 0} \frac{\sin x}{x} x→0limxsinx
解:这是一个经典的极限问题,可以通过洛必达法则或泰勒展开来求解。这里我们直接给出结果:
lim x → 0 sin x x = 1 \boxed{\lim_{x \to 0} \frac{\sin x}{x} = 1} x→0limxsinx=1
2.4 无穷大极限
定义
若 lim x → a f ( x ) = L \lim_{x \to a} f(x) = L x→alimf(x)=L,其中 ( L ) 是有限实数,则称 ( f(x) ) 在点 ( a ) 处有无穷大极限。
性质
- 保号性:若 lim x → a f ( x ) = + ∞ \lim_{x \to a} f(x) = +\infty x→alimf(x)=+∞,则对于任意的正数 ( M > 0 ),存在一个正数 ( \delta > 0 ),使得当 0 < ∣ x − a ∣ < δ 0 < |x - a| < \delta 0<∣x−a∣<δ 时, f ( x ) > M f(x) > M f(x)>M 成立;同理,若 lim x → a f ( x ) = − ∞ \lim_{x \to a} f(x) = -\infty x→alimf(x)=−∞,则有相应的负数情况。
例题
计算以下极限:
lim x → ∞ e − x \lim_{x \to \infty} e^{-x} x→∞lime−x
解:随着 ( x ) 增大,指数函数 ( e^{-x} ) 迅速减小到0,所以这个极限是0。
lim x → ∞ e − x = 0 \boxed{\lim_{x \to \infty} e^{-x} = 0} x→∞lime−x=0
lim x → − ∞ ln ( 1 + x ) \lim_{x \to -\infty} \ln(1+x) x→−∞limln(1+x)
解:对数函数在接近负无穷时会趋向于负无穷,因为 ( 1+x ) 会小于0且越来越小。
lim x → − ∞ ln ( 1 + x ) = − ∞ \boxed{\lim_{x \to -\infty} \ln(1+x) = -\infty} x→−∞limln(1+x)=−∞
2.5 极限存在准则
单调有界准则
单调递增且有上界的序列一定收敛。
夹逼定理
设 lim n → ∞ u n = lim n → ∞ v n = A \lim_{n \to \infty} u_n = \lim_{n \to \infty} v_n = A n→∞limun=n→∞limvn=A,且对于所有足够大的 ( n ),都有 u n ≤ w n ≤ v n u_n \leq w_n \leq v_n un≤wn≤vn。那么 lim n → ∞ w n = A \lim_{n \to \infty} w_n = A n→∞limwn=A。
例如,考虑区间 ( − ∞ , 0 ) ∪ ( 0 , + ∞ ) (-\infty,0) \cup (0,+\infty) (−∞,0)∪(0,+∞),我们可以表示为:
( − ∞ , 0 ) ∪ ( 0 , + ∞ ) (-\infty,0) \cup (0,+\infty) (−∞,0)∪(0,+∞)
3. 函数的连续性
3.1 连续性
在某点的连续性:
设函数 ( f(x) ) 在点 ( x=a ) 的某个邻域内有定义。如果
lim x → a f ( x ) = f ( a ) \lim_{x \to a} f(x) = f(a) x→alimf(x)=f(a)
,则称函数 ( f(x) ) 在点 ( x=a ) 处连续。
归纳起来:
- 在 ( a ) 处函数有极限。
- 在 ( a ) 处函数有定义。
- 在 ( a ) 处极限等于函数值。
左连续:
设函数 ( f(x) ) 在点 ( x=a ) 的左侧有定义。如果
lim x → a − f ( x ) = f ( a ) \lim_{x \to a^{-}} f(x) = f(a) x→a−limf(x)=f(a)
,则称函数 ( f(x) ) 在点 ( x=a ) 处左连续。
右连续:
设函数 ( f(x) ) 在点 ( x=a ) 的右侧有定义。如果
lim x → a + f ( x ) = f ( a ) \lim_{x \to a^{+}} f(x) = f(a) x→a+limf(x)=f(a)
,则称函数 ( f(x) ) 在点 ( x=a ) 处右连续。
连续的充要条件:
函数连续的充要条件:函数左右连续。
在区间的连续性:
如果函数 ( f(x) ) 在区间 ( (a,b) ) 内的每一点都连续,则称函数 ( f(x) ) 在区间 ( (a,b) ) 内连续。
如果函数 ( f(x) ) 在区间 ( [a,b] ) 内的每一点都连续,并且在左端点 ( x=a ) 处右连续,在右端点 ( x=b ) 处左连续,则称函数 ( f(x) ) 在区间 ( [a,b] ) 上连续。
例子 1:
函数 ( f(x) = x^2 ) 在 ( x=1 ) 处连续。
计算极限:
lim x → 1 x 2 = 1 \lim_{x \to 1} x^2 = 1 x→1limx2=1
由于 ( f(1) = 1 ),所以
lim x → 1 x 2 = 1 = f ( 1 ) \lim_{x \to 1} x^2 = 1 = f(1) x→1limx2=1=f(1)
,函数在 ( x=1 ) 处连续。
例子 2:
函数 ( f(x) = \frac{1}{x} ) 在 ( x=0 ) 处不连续。
计算极限:
lim x → 0 + 1 x = + ∞ \lim_{x \to 0^{+}} \frac{1}{x} = +\infty x→0+limx1=+∞
lim x → 0 − 1 x = − ∞ \lim_{x \to 0^{-}} \frac{1}{x} = -\infty x→0−limx1=−∞
由于极限不存在,函数在 ( x=0 ) 处不连续。
3.2 不连续点
定义:
- 在 ( a ) 处函数极限不存在。
- 在 ( a ) 处函数无定义。
- 在 ( a ) 处极限不等于函数值。
可去不连续点:
如果 ( \lim_{x \to a} f(x) ) 存在且有限,但 ( f(a) ) 不存在或 ( f(a) \neq \lim_{x \to a} f(x) ),则称 ( x=a ) 是 ( f(x) ) 的可去不连续点。
如:
y = x 2 − 1 x − 1 y = \frac{x^2 - 1}{x - 1} y=x−1x2−1
在 ( x→1) 时,简化等式:
y = x 2 − 1 x − 1 = x + 1 y = \frac{x^2 - 1}{x - 1} = x + 1 y=x−1x2−1=x+1
lim x → 1 ( x + 1 ) = 2 \lim_{x \to 1} (x + 1) = 2 x→1lim(x+1)=2
但是在 ( x=1 ) 处,( y ) 无意义,所以 ( x=1 ) 是 ( y ) 的可去不连续点。
跳跃不连续点:
如果函数在某点的左极限和右极限都存在但不相等,即
lim x → a − f ( x ) ≠ lim x → a + f ( x ) \lim_{x \to a^{-}} f(x) \neq \lim_{x \to a^{+}} f(x) x→a−limf(x)=x→a+limf(x)
则称 ( x=a ) 是 ( f(x) ) 的跳跃不连续点。
如:
f ( x ) = { 1 if x < 0 − 1 if x ≥ 0 f(x) = \begin{cases} 1 & \text{if } x < 0 \\ -1 & \text{if } x \geq 0 \end{cases} f(x)={1−1if x<0if x≥0
在 ( x=0 ) 处,左极限为 ( \lim_{x \to 0^{-}} f(x) = 1 ),右极限为 ( \lim_{x \to 0^{+}} f(x) = -1 )。由于左右极限不相等,因此 ( x=0 ) 是跳跃不连续点。
无穷不连续点:
如果函数在某点的左极限或右极限至少有一个是无穷大,即
lim x → a − f ( x ) = ± ∞ 或 lim x → a + f ( x ) = ± ∞ \lim_{x \to a^{-}} f(x) = \pm \infty \quad \text{或} \quad \lim_{x \to a^{+}} f(x) = \pm \infty x→a−limf(x)=±∞或x→a+limf(x)=±∞
则称 ( x=a ) 是 ( f(x) ) 的无穷不连续点。
如:
f ( x ) = 1 x 2 f(x) = \frac{1}{x^2} f(x)=x21
在 ( x=0 ) 处,无论是左极限还是右极限,都趋于无穷大:
lim x → 0 + 1 x 2 = + ∞ 和 lim x → 0 − 1 x 2 = + ∞ \lim_{x \to 0^{+}} \frac{1}{x^2} = +\infty \quad \text{和} \quad \lim_{x \to 0^{-}} \frac{1}{x^2} = +\infty x→0+limx21=+∞和x→0−limx21=+∞
因此,( x=0 ) 是 ( f(x) ) 的无穷不连续点。
振荡不连续点:
如果当 ( x ) 趋近于某点 ( a ) 时,函数值在两个或多个数值之间振荡,并且不趋于任何确定的值,则称 ( x=a ) 是 ( f(x) ) 的振荡不连续点。
如:
f ( x ) = sin ( 1 x ) f(x) = \sin\left(\frac{1}{x}\right) f(x)=sin(x1)
在 ( x=0 ) 处,当 ( x ) 趋近于 0 时,( \sin\left(\frac{1}{x}\right) ) 在 -1 和 1 之间无限振荡,因此 ( x=0 ) 是 ( f(x) ) 的振荡不连续点。
3.3 连续函数的性质
连续函数具有以下几个重要性质:
介值定理:
如果函数 ( f(x) ) 在闭区间 ([a, b]) 上连续,且 ( d ) 是 ( f(a) ) 和 ( f(b) ) 之间的任意值,则至少存在一个 ( c ) 属于 ((a, b)),使得 ( f© = d )。
零点定理:
如果函数 ( f(x) ) 在闭区间 ([a, b]) 上连续,并且 ( f(a) ) 和 ( f(b) ) 异号(即 ( f(a) \cdot f(b) < 0 )),则至少存在一个 ( c ) 属于 ((a, b)),使得 ( f© = 0 )。
最大值和最小值定理:
如果函数 ( f(x) ) 在闭区间 ([a, b]) 上连续,则 ( f(x) ) 在 ([a, b]) 上必定能取得最大值和最小值。
这些性质是分析和解决实际问题时非常有用的工具,特别是在物理学、工程学和经济学等领域。通过这些性质,我们可以推断函数的行为,而无需确切地知道函数在每一点上的值。