第一章 函数、极限、连续
§1.1
函数
(甲) 内容要点 一、函数的概念
1.函数的定义 2.分段函数 3.反函数 4.隐函数 二、基本初等函数的概念、性质和图像
三、复合函数与初等函数
四、考研数学中常出现的非初等函数 1.用极限表示的函数
(1)
y lim f
n( x )
n
, 例 22
( ) lim 1
1
n n n
f x x x
x
(2)
y lim f ( t , x )
tx
,例sin
sin sin( ) lim sin
x
t x
t x
f x t
x
2.用变上、下限积分表示的函数
(1) y
axf(t)dt 其中 f(t)连续,则 f(x) dxdy
(2)
(())2 1
)
x (
x f t dt
y
其中
1(x),
2(x)可导, f(t)连续,则
dy [ ( )] ( )
2 2[ ( )] ( )
1 1f x x f x x
dx
五、函数的几种性质
1. 有界性:设函数y f(x)在X内有定义,若存在正数M,使xX 都有 f(x) M , 则称 f (x)在X上是有界的。
2. 奇偶性:设区间X关于原点对称,若对xX,都有 f(x) f(x),则称 f(x)在 X上是奇函数。
若对xX ,都有 f( x) f x( ),则称 f(x)在X上是偶函数,奇函数的图象关于 原 点 对 称 ; 偶 函 数 图 像 关 于
y
轴 对 称 。 重 要 公 式0 ,
( ) 2 ( ) ,
0 a f
f x dx a
a f x dx f
当为奇函数 当为偶函数
3. 单 调 性 : 设 f(x)在 X 上 有 定 义 , 若 对 任 意 x1X, x2X, x1 x2都 有 )
( ) (x1 f x2
f [f(x1) f(x2)]则称 f(x)在X上是单调增加的[单调减少的];若对 任意x1X , x2X, x1x2都有 f x( )1 f x( ) [ ( )2 f x1 f x( )]2 ,则称 f(x)在X 上是单调不减[单调不增]
(注意:有些书上把这里单调增加称为严格单调增加;把这里单调不减称为单调增 加。)
若在( , )a b 内,
( ) 0, ( ) ( ) 0, ( )
f x f x
f x f x
则单调增加 则单调减少
4. 周期性:设 f(x)在X上有定义,如果存在常数T 0,使得任意xX,xTX ,
都有 f(xT) f(x),则称 f(x)是周期函数,称T为 f(x)的周期。
由此可见,周期函数有无穷多个周期,一般我们把其中最小正周期称为周期。
例
2
( ) sin ( 0 )
f x x
常数周期=
(乙) 典型例题 一、定义域与值域
例1 设 f (x)的定义域为[a, a](a0)求 f(x2 1)的定义域 解:要求ax21a,则1a x2 1a,
当a 1时,1 a 0, x2 1 a,则x 1a 当0a1时,1a0, 1a x 1a 也即 1a x 1a或 1a x 1a
例2 求
,
x x
x x
x x x
f
y 的值域
2 , ) 2 ( 1
2 2
, 5
2 ,
3 ) (
2 3
并求它的反函数。
解:x 2,y3811,x3 3y, 2
2
x ,3 y 5 x 7,x5 y,
2
x ,y1(x2)2 1,x2 1y, 所以y f(x)的值域为(,1)[3,7](11,)
反函数
3
2 1 , 1
5 , 3 7
3 , 11
y y
x y y
y y
二、求复合函数有关表达式
例1 设 2
) 1
( x
x x
f ,求
f f [ ( f x ( ))] f x
n( ) n
重复合
解: 2 2 2
2 2 2
2 1 1
1 1 /
) ( 1
) )] (
( [ )
( x
x x
x x
x x
f x x f
f f x
f
,
若 2
) 1
( kx
x x fk
则 2 2
2
2 1 2
) 1 ( 1 1
1 1 /
) ( 1
) ) (
( k x
x kx
x kx
x x
f x x f
f
k k
k
根据数学归纳法可知,对正整数
n
, 2 ) 1( nx
x x fn
例2 已知f e( )x xex,且 f(1) 0,求 f(x) 解:令ex t,x lnt,因此
ln
( )
x( ) t f e f t
t
,2 2
1
ln 1 1
( ) (1) ln ln
2 1 2
x
t x
f x f dt t x
t
(1) 0 f
,∴ f x ln2x 2 ) 1 ( 三、有关四种性质
例1 设F x( ) f x( ),则下列结论正确的是 [ ]
(A)若 f(x)为奇函数,则F(x)为偶函数
(B)若 f(x)为偶函数,则F(x)为奇函数
(C)若 f(x)为周期函数,则F(x)为周期函数
(D)若 f(x)为单调函数,则F(x)为单调函数 例2 求I
x x ex e x x x dx
1
1
2
5 ( )ln( 1)]
[
解 f1(x)ex ex是奇函数, f1(x)ex ex f1(x) )
1 ln(
)
( 2
2 x x x
f 是奇函数,
1 ) 1 ln(
) 1 ln(
)
( 2
2 2
2
2
x x
x x x
x x
f ln1ln(x x2 1)f2(x)
因此x(ex ex)ln(x x2 1)是奇函数
于是
1 0 1 6
1 6
7 2 2
0 x dx
dx x I
例 3 设 f(x), g(x)是 恒 大 于 零 的 可 导 函 数 , 且 f x g x( ) ( ) f x g x( ) ( ) 0 , 则 当 b
x
a 时,下列结论成立的是 [ ]
(A) f(x)g(b) f(b)g(x) (B) f(x)g(a) f(a)g(x)
(C) f(x)g(x) f(b)g(b) (D) f(x)g(x) f(a)g(a) 思考题:两个周期函数之和是否为周期函数
例1.
( ) sin cos
2 3
x x
f x
例2. f x( ) sin
xsin 2x 四、函数方程例 1 . 设 f(x)在 [0,)上 可 导 , f(0)0, 反 函 数 为 g(x), 且
0( ) ) 2 x (
f g t dt x ex ,求 f(x)。
解 : 两 边 对 x求 导 得 g f x f x[ ( )] ( ) 2 xexx e2 x, 于 是 xf x( )x(2x e) x, 故 ( ) ( 2) x
f x x e , f(x)(x1)exC, 由 f(0)0, 得 C 1, 则 1
) 1 ( )
(x x ex
f 。
例2 设 f (x)满足 f x f x)x 3 (1 3sin ) 1 (
sin ,求 f(x)
解:令g(x)sin f(x),则 x x g x
g )
3 (1 3 ) 1
( ,
x x
g x
g 2 2 2
3 ) 1 3 ( 1 3 ) 1 3 (1 3
1 ,
2 2 3 3 4
1 1 1 1 1
( ) ( )
3 g 3 x 3 g 3 x 3 x
,……
x x
g x
g n n n n
n 1 1 32( 1)
) 1 3 ( 1 3 ) 1 3 ( 1 3
1
,
各式相加,得 ]
9 1 9
1 1 [ 3 )
( 1 3 ) 1
(x n g n x x n1
g
1 )
(x
g ,∴ ) 0 3
( 1 3
lim 1
n g n x
n
8 9 9 1 1 ] 1 9
1 9
1 1 [
lim 1
n
n
因此g x x 8 ) 9
( ,于是
k x arc
x
f 2
8 sin9 )
( 或
9
(2 1) sin
k arc 8 x
(k为整数)思考题
设ba均为常数,求方程
2 2
sin(x b ) ln[(x b ) (x b ) 1 ] sin( x a ) ln[(x a ) (x a ) 1 ] 0 的一个解。
§1.2 极限
(甲) 内容要点
一、极限的概念与基本性质 1.极限的概念
(1) 数列的极限
x
nA
n
lim
(2) 函数的极限lim ( )
x f x A
;lim ( )
x f x A
;lim ( )
x f x A
A x
x
f
x
( ) lim
0 ;
f x A
x
x
( ) lim
0 ;
f x A
x
x
( ) lim
0
2.极限的基本性质
定理1 (极限的唯一性 )设lim f(x) A,lim f(x) B,则A=B 定理2 (极限的不等式性质)设lim f(x) A,lim g(x) B 若
x
变化一定以后,总有 f(x) g(x),则A B
反之,
A B
,则x
变化一定以后,有 f(x)g(x)(注:当g(x)0,B0情 形也称为极限的保号性)定理3 (极限的局部有界性)设lim f(x) A 则当
x
变化一定以后, f(x)是有界的。定理4 设lim f(x) A,lim g(x) B 则(1)lim[f(x)g(x)] AB
(2)lim[f(x)g(x)] AB
(3)lim[f(x)g(x)] AB
(4) ( 0) )
( )
lim ( B
B A x g
x f
(5)lim[f(x)]g(x) AB (A0) 二、无穷小量
1.无穷小量定义:若lim f(x)0,则称 f(x)为无穷小(注:无穷小与
x
的变化过程 有关, 1 0lim
x
x ,当
x
时x
1 为无穷小,而xx0或其它时,
x
1 不是无穷小)
2.无穷大量定义:任给M>0,当
x
变化一定以后,总有 f(x) M ,则称 f (x)为无穷 大,记以lim f(x)。3.无穷小量与无穷大量的关系:在
x
的同一个变化过程中,若 f(x)为无穷大量,则 ) ( 1
x
f 为无穷小量,
若 f(x)为无穷小量,且 f(x)0,则 ) ( 1
x
f 为无穷大量。
4.无穷小量与极限的关系:
lim ( )f x A f x( ) A
( )x ,其中lim ( ) 0
x 5.两个无穷小量的比较设lim f(x)0,limg(x) 0,且 l x g
x
f
) (
) lim (
(1)l 0,称 f(x)是比g(x)高阶的无穷小量,记以f x( )o g x[ ( )]
称g(x)是比 f(x)低阶的无穷小量
(2)l 0,称 f(x)与g(x)是同阶无穷小量。
(3)l 1,称 f(x)与g(x)是等阶无穷小量,记以f(x)~ g(x) 6.常见的等价无穷小量
当x0时,
x x~
sin ,
tan x ~ x
, arcsinx~ x, arc tanx~ x, 2 2~ 1 cos
1 x x ,
x
ex 1~ ,ln(1x) ~ x,(1x)1 ~
x。 7.无穷小量的重要性质有界变量乘无穷小量仍是无穷小量。
三、求极限的方法
1.利用极限的四则运算和幂指数运算法则 2.两个准则
准则1:单调有界数列极限一定存在
(1) 若xn1 xn(
n
为正整数)又xn m(n
为正整数),则x
nA
n
lim
存在,且Am
(2) 若xn1 xn(
n
为正整数)又xn M (n
为正整数),则x
nA
n
lim
存在,且A M
准则2:夹逼定理
设g(x) f(x)h(x)。若lim g(x) A,limh(x) A,则lim f(x) A 3.两个重要公式
公式1: sin 1
lim0
x
x
x
公式2: e n
n
n
1) 1 (
lim ; e
u
u
u
1) 1 (
lim ;
v
ve
v
1 0
( 1 ) lim
4.用无穷小量重要性质和等价无穷小量代换 5.用泰勒公式(比用等价无穷小量更深刻)
当x0时,
2
1 ( )
2! !
n
x
x x
ne x o x
n
例:
2 3
3
3 3
0 0
1 2! 3! ( ) 1 1
lim lim
3! 6
x
x x
x x
e o x
x x
3 5 2 1
2 1
sin ( 1) ( )
3! 5! (2 1)!
n
n n
x x x
x x o x
n
2 4 2
cos 1 ( 1) (
2)
2! 4! (2 )!
n
n n
x x x
x o x
n
2 3
ln(1 ) ( 1)
1( )
2 3
n
n n
x x x
x x o x
n
3 5 2 1
2 1
tan ( 1) ( )
3 5 2 1
n
n n
x x x
arc x x o x
n
( 1)
2( 1) [ ( 1)]
(1 ) 1 ( )
2! !
n n
x x x n x o x
n
6.洛必达法则
第一层次,直接用洛必达法则 法则1:(
0
0
型)设(1)lim f(x)0,limg(x) 0(2)
x
变化过程中, f x( ),g x( )皆存在(3)
( ) lim ( )
f x A g x
(或
)则 A
x g
x
f
) (
)
lim ( (或
)(注:如果
( ) lim ( ) f x g x
不存在且不是无穷大量情形,则不能得出( ) lim ( ) f x
g x
不存在且不是无穷大量情形)
法则2:(
型)设(1)lim ( )f x , lim ( )g x (2)
x
变化过程中, f x( ),g x( )皆存在(3)
( ) lim ( )
f x A g x
(或
)则 A
x g
x
f
) (
)
lim ( (或
)第二层次,间接用洛必达法则"0"型和" "型
例 0 0
1 1
lim ln lim( )
x
1
x
x x
xx e
和
第三层次:间接再间接用洛必达法则"1 " 型、"0 "0 型、"0"型
( ) ( )ln ( ) lim* ( )ln ( )* *
lim ( ) g x lim g x f x x g x f x
x f x x e e
7.利用导数定义求极限
基本公式: 0 0 0
0
( ) ( )
lim ( )
x
f x x f x x f x
[如果存在]8.利用定积分定义求极限
基本公式
1 1 0
) ( )
1 (
lim f x dx
n f k n
n
n k [如果存在]
9.其它综合方法
10.求极限的反问题有关方法
例:已知
2 1 2
lim 3,
sin( 1)
x
x ax b x a b
求和
(乙) 典型例题 一、有关无穷小量
例1.
3 2
3
lim 1 (sin cos )
2
xx
x x
x x
x
例2.设当x0时,(1 cos ) ln(1 x x2)是比xsinxn高阶的无穷小量,而xsinxn又是 比(ex2 1) 高阶的无穷小量,则n等于( )
(A)1 (B)2 (C)3 (D)4
二、通过各种基本技巧化简后直接求出极限
例1 设am 0,bn 0,求
0 1 1 1
0 1 1
lim
1b x b x
b x b
a x a x
a x a
n n n n
m m m m
x
解:
0 1 1
1
0 1 1
lim
1b x b x
b x b
a x a x
a x a
n n n n
m m m m
x
n n
n n
m m
m m n m
x
b b x b x b x
x a x a x
a a x
0 1 1 1
1
0 1 1 1
1
]
lim [
时 当
时 当
时 当
,
n m
n b m
a
n m
n m
, , 0
例2 设a 0, r 1,求
lim (
1)
nn
a ar
ar
解: r
a r a r ar
ar a
n
n n
n
1 1
lim 1 ) (
lim 1
特例 (1)求
n n
n )
3 (2 ) 1 ( 3)
(2 3) (2 3
lim 2 2 3 1
解:例2中取 3
2
a ,
3
2
r ,可知原式
5 2 3) ( 2 1
3 2
(2)
3 4 2 3 2 3) (1 3
1 1
2) (1 2 1 1
lim
n
n
n
例3.求 nn nn
n 2 3
2 lim3 1
1
解:分子、分母用3n除之,
原式= 3
1 3) (2 2
3) (2 3
lim
n
n
n
(注:主要用当 r 1时,
lim 0
n
n
r
)例4 设l是正整数,求
n
n k 1
k ( k l ) lim 1
解: 1 1 )
1( ) (
1
l k k l l k
k
∴
n
k 1
k k l l l n n l
1 1
1 1 2
1 1 1 ) (
1
因此原式 1) 2
1 1 1(
l
l
特例:(1)
n
n k 1
k k 1
) 1 (
lim 1
(l 1)(2)
n
n k 1
k k 4
) 3 2 1 1 2 ( 1 ) 2 (
lim 1
(l2)三、用两个重要公式
例1 求 n
n
x x
x
cos2 cos4
cos2
lim
解:当x 0,原式=1
当x0时,原式
n n
n n
n
n
x
x x
x x
sin 2 2
cos 2 cos 4
cos 2 sin 2 2
lim
n n
n n
n
n
x
x x
x x
sin 2 2
sin 2 cos 2
cos 4 cos 2 2
lim
1 11
= …
x x x
x x
x x
x
n n n
n n n
sin sin 2
sin 2 lim sin 2
2
lim sin
例2 求 x
x x
x )
1 ( 1
lim
解一: 2
1
1) 1 (
1) 1 ( / lim
) 1 (
/ ) 1 lim ( 1)
( 1
lim
e
e e x x x
x x x x
x
x x
x x
x x x
解二: 1) 2
)( 2 2 ( 1
1) ( 2 1 lim 1)
( 1
lim
e
x x
x x x x
x x x
例3
lim
x0(cos x )
cot2x lim
x0( 1 sin
2x )
2cossin22xx lim
x0 1 ( sin2 x )
(sin12x)cos(22)x
=
e
21四、用夹逼定理求极限
例1.求 )
2 1 2 6 5 4 3 2 (1
lim n
n
n
解:令 n
xn n
2 1 2 6 5 4 3 2
1
,
1 2
2 5 4 3 2
n
yn n ,
则0xn yn,于是
1 2 0 2 1
xn xnyn n 由夹逼定理可知:
lim
2 0
n
n
x
,于是原极限为0例2 求
n
n k
n n k
k
1 2
lim
解:
1
2 1 2
1
1 2 2
2
n n
n k
n n
k n
n n
n
nk
而
2 1 ) 2 (
) 1 2 (
1 2 lim
2
lim1 2
n n
n n n
n
n
n n
2 1 1 ) 1 2 (
1 1 lim
2
lim 1
2 2
n n
n n n
n
n
n n
由夹逼定理可知
2 lim 1
1 2
n
n k
n n k
k
例3 求
x
x tdt
x 0sin lim1
解:
(k1) sintdt
0sintdt 2 k
设n x(n1) ,则
) 1 ( 2 sin
sin sin
2 ( 1)
0 0
0
tdt
tdt
tdt nn n x n
于是, nn x
0x tdt nn) 1 ( sin 2
1 ) 1 (
2
∵
2 ) 1 (
lim 2
n n
n ,
2 ) 1 (
lim2
n
n
n ,
由夹逼定理可知,
x
x tdt
x 0 sin 2 lim 1
五、用定积分定义求数列的极限
例1.求
n
n k
n k
n
1 2 2
lim
分析:如果还想用夹逼定理中的方法来考虑
2 2
2
1 2 2
2 2
2
1
n
n k
n n n
n
n n
k
而 2
lim 2 2 1
2
n n n
n , 1
lim 2 12
2
n n
n
由此可见,无法再用夹逼定理,因此我们改用定积分定义来考虑
解:
n
k n
k n
n
n n k
k n
n
1 2
1 2 2
) ( 1
1 lim1
lim
1
0 2 0 4
tan 1 1
x x arc
dx
例2 求
n
n k
n k n k
1 1
sin lim
解:
n
k n
k
n
k n
k n
n k n k n
k
n 1 1 1
1 sin 1
sin 1 sin
1
而
1 1 0
sin 2 1 sin
lim
n xdx k n
n
n k
n
k
n
n k
n
n
k n
n n n
k
n
1 1) 2 1 sin
1 )(
( lim 1 sin
lim 1
由夹逼定理可知,
2 1 sin lim
1
n
n k
n k n k
六、用洛必达法则求极限 1.
0
"
0
"
型和 "" 型
例1.求
n n n
n sin 1
sin1 1 lim
3
解:离散型不能直接用洛必达法则,故考虑
3 3
0 0
sin sin
lim lim
sin
x x
x x x x
x x
等价无穷小代换 6 1 6 limsin 3
cos lim1
2 0
0
x
x x
x
x x
∴ 原式 6
1
例2.求
10 1
0
2
lim x e
xx
解:若直接用 0
"
0
"
型洛必达法则1,则得
9 1 3
0
10
2 ) ( lim
2
x x e
x
x
=
12 1
0
5 lim
2
x e
xx
(不好办了,分母
x
的次数反而增加)
为了避免分子求导数的复杂性,我们先用变量替换,令 t x12 于是
t t t t x
x
e
t t
e x
e
55 10
1
0
lim lim
lim
2
( "" 型)5
45!
lim
tlim
t0
t t
t
e e
例3 设函数 f(x)连续,f
0 0,求
x
x
x x f x t dt
dt t f t x
0 0
0 ( )
) ( ) lim (
解:原式
x
x x
x x f u du
dt t tf dt t f x
0 0 0
0 ( )
) ( )
lim ( (分母作变量替换x t u )
x
x
x f u du xf x
x xf x xf dt t f
0 0
0 ( ) ( )
) ( ) ( )
lim ( (用洛必达法则,分子、分母各求导数)
(用积分中值定理)
0 ( 0)
lim ( )
( ) ( )
x
xf xf xf x
( 在0和x
之间)(0) 1
(0) (0) 2 f
f f
2.
" "
型和"0"型 例1 求 cos )sin ( 1
lim 2
2
0 2 x
x x
x
解:原式=
x x
x x
x
x 2 2
2 2
2
0 sin
cos lim sin
4 2 2
0
2 4sin 1
lim x
x x
x
0
4
32 cos 2 4 sin 2 4
lim x
x x x
x
0
2
34 4 sin 1
lim x
x x
x
0 6 2
4 cos lim1
x x
x
x x
x 12
4 sin lim4
0
3
4
例2 设a0,b0常数。求
lim ( )
1 1
x x
x
x a b
解:原式
1 1
lim 1
x x
x
a b
x
lim
0t t
t
a b t
( 0"
0
"
型)
用洛必达法则
) ln ln
(
lim
0a
ta b
tb
t
lnalnb
b lna
3.“1”型,“00”型和“
0”型这类都是lim[f(x)]g(x)形式可化为elimg(x)ln[f(x)]
而limg(x)ln[f(x)]都是“0”型,按2的情形处理 例1 求 x
x
x
sin2lim
0
解:令y xsin2x,lnysin2 xlnx
0 ln sin lim ln
lim
20
0
y x x
x x
∴
lim
01
0
y e
x
例2 设a0,b0常数,求
lim( ) 2
n n
n n
a b
解:先考虑
1 1
lim ( )
2
x x
x x
a b
它是“1 ”型令 ax bx x
y )
( 2
1 1
,ln [ln( ) ln2]
1 1
x ax bx y
x b
y a
x xx
x
1
2 ln ) lim ln(
ln lim
1
1
0
ln( ) ln 2 lim
t t
t
a b t
( 0
"
0
"
型)
ab b
b a a
b b a a
t t
t t
t (ln ln ) ln
2 1 ln lim ln
0
因此, ax bx x ab
x
)
( 2 lim
1 1
于是, n a n b n ab
n
)
( 2 lim
七、求分段函数的极限
1 t x 令
1 t x 令