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二重极限存在性与不存在性的证明方法

一、二重极限的定义#

设函数f(x,y)f(x, y)在区域DD内,点(x0,y0)(x_0, y_0)DD的聚点。若

lim(x,y)(x0,y0)f(x,y)=A\lim_{(x, y) \to (x_0, y_0)} f(x, y) = A

则称AAf(x,y)f(x, y)在点(x0,y0)(x_0, y_0)处的二重极限,记作

lim(x,y)(x0,y0)f(x,y)=A\lim_{(x, y) \to (x_0, y_0)} f(x, y) = A

二、证明二重极限存在的方法#

1、直接利用εδ\varepsilon-\delta定义法#

定义:
若对任意ε>0\varepsilon > 0,存在δ>0\delta > 0,使得当0<(xx0)2+(yy0)2<δ0 < \sqrt{(x - x_0)^2 + (y - y_0)^2} < \delta时,有

f(x,y)A<ε|f(x, y) - A| < \varepsilon

AA为二重极限。

步骤:

  1. 给定任意ε>0\varepsilon > 0
  2. 构造合适的δ\delta,使得对于所有满足0<(xx0)2+(yy0)2<δ0 < \sqrt{(x - x_0)^2 + (y - y_0)^2} < \delta(x,y)(x, y),都有f(x,y)A<ε|f(x, y) - A| < \varepsilon
  3. 证明上述条件成立。

适用情形:
函数形式清晰、可估算距离时,直接用定义法最严谨。

2、比较夹逼法(夹逼准则)#

若存在g(x,y)g(x, y)h(x,y)h(x, y),使得g(x,y)f(x,y)h(x,y)g(x, y) \leq f(x, y) \leq h(x, y),并且

lim(x,y)(x0,y0)g(x,y)=lim(x,y)(x0,y0)h(x,y)=A\lim_{(x, y) \to (x_0, y_0)} g(x, y) = \lim_{(x, y) \to (x_0, y_0)} h(x, y) = A

lim(x,y)(x0,y0)f(x,y)=A\lim_{(x, y) \to (x_0, y_0)} f(x, y) = A

步骤:

  1. 找到g(x,y)g(x, y)h(x,y)h(x, y)满足夹逼关系。
  2. 分别计算g(x,y)g(x, y)h(x,y)h(x, y)的极限。
  3. 由夹逼定理得出f(x,y)f(x, y)的极限。

适用情形:
函数复杂、但可被简单函数夹住时。

3、转化为极坐标法#

(x,y)(0,0)(x, y) \to (0, 0),可设x=rcosθ,y=rsinθx = r\cos\theta, y = r\sin\theta,则

lim(x,y)(0,0)f(x,y)=limr0f(rcosθ,rsinθ)\lim_{(x, y) \to (0, 0)} f(x, y) = \lim_{r \to 0} f(r\cos\theta, r\sin\theta)

步骤:

  1. 用极坐标转换函数。
  2. r0r \to 0,考察极限是否与θ\theta无关。
  3. 若极限与θ\theta无关,则极限存在;否则不存在。

适用情形:
极限点为原点,函数可适合极坐标表达。

4、先计算两个方向的累次极限#

计算

limxx0(limyy0f(x,y))\lim_{x \to x_0} \left( \lim_{y \to y_0} f(x, y) \right)

limyy0(limxx0f(x,y))\lim_{y \to y_0} \left( \lim_{x \to x_0} f(x, y) \right)

如果两个累次极限都存在且相等,且函数连续,则二重极限存在且等于该值。但注意:累次极限相等是二重极限存在的必要非充分条件。

三、证明二重极限不存在的方法#

1、沿不同路径趋近,极限值不同#

选择两条不同的路径γ1,γ2\gamma_1, \gamma_2,若

lim(x,y)(x0,y0),(x,y)γ1f(x,y)lim(x,y)(x0,y0),(x,y)γ2f(x,y)\lim_{(x, y) \to (x_0, y_0), (x, y) \in \gamma_1} f(x, y) \neq \lim_{(x, y) \to (x_0, y_0), (x, y) \in \gamma_2} f(x, y)

则二重极限不存在。

常见路径:

  • y=kxy = kx (直线)
  • y=x2y = x^2 (抛物线)
  • x=0x = 0y=0y = 0 等坐标轴

2、极坐标法发现极限依赖于θ\theta#

用极坐标转换后,若

limr0f(rcosθ,rsinθ)\lim_{r \to 0} f(r \cos\theta, r \sin\theta)

依赖于θ\theta,即不同θ\theta取值有不同极限,则二重极限不存在。

3、累次极限不相等#

计算累次极限

limxx0(limyy0f(x,y))\lim_{x \to x_0} \left( \lim_{y \to y_0} f(x, y) \right)

limyy0(limxx0f(x,y))\lim_{y \to y_0} \left( \lim_{x \to x_0} f(x, y) \right)

若二者不相等,则二重极限不存在。

4、夹逼法反证#

若能证明对任意AA,总存在ε0>0\varepsilon_0 > 0,使得无论δ\delta多小,总有(x,y)(x, y)使f(x,y)Aε0|f(x, y) - A| \geq \varepsilon_0,则极限不存在。

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二重极限存在性与不存在性的证明方法
https://www.laoguantx.cn/posts/methods-forprovingtheexistenceandnon-existenceofdoublelimits/
作者
老官童鞋gogo
发布于
2025-05-20
许可协议
CC BY-NC-SA 4.0

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