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(1)

第一章 函数、极限、连续

§1.1

函数

() 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

, 2

2

( ) 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) dx

dy

(2)

(())

2 1

)

x (

x f t dt

y

其中

1(x),

2(x)可导, f(t)连续,

dy [ ( )] ( )

2 2

[ ( )] ( )

1 1

f x x f x x

dx        

五、函数的几种性质

1. 有界性:设函数yf(x)X内有定义,若存在正数M,使xX 都有 f(x) M , 则称 f (x)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) X上是奇函数。

若对xX ,都有 f( x) f x( ),则称 f(x)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) X 上 有 定 义 , 若 对 任 意 x1X, x2X x1x2都 有 )

( ) (x1 f x2

f  [f(x1) f(x2)]则称 f(x)X上是单调增加的[单调减少的];若对 任意x1Xx2X, x1x2都有 f x( )1f x( ) [ ( )2 f x1f x( )]2 ,则称 f(x)X 上是单调不减[单调不增]

(2)

(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)X上有定义,如果存在常数T 0,使得任意xXxTX

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。

2

( ) sin ( 0 )

f x   x

  常数周期=  

() 典型例题 一、定义域与值域

例1 设 f (x)的定义域为[a, a](a0)求 f(x2 1)的定义域 解:要求ax21a,则1ax2 1a

a 1时,1 a 0, x2  1 a,则x 1a 当0a1时,1a0, 1a x 1a 也即 1a x 1a 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,y3811x3 3y, 2

2 

x ,3   y 5 x 7,x5 y

2

xy1(x2)2 1,x2 1y, 所以yf(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

(3)

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  

 

 

 

2

) 1

( kx

x x fk

 

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( )xxex,且 f(1) 0,求 f(x) 解:令extx 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)]

[

f1(x)exex是奇函数, f1(x)exex f1(x) )

1 ln(

)

( 2

2 xxx

f 是奇函数,

1 ) 1 ln(

) 1 ln(

)

( 2

2 2

2

2  

 

x x

x x x

x x

f ln1ln(xx2 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 [ ]

(4)

(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

xsin 2x 四、函数方程

例 1 . 设 f(x) [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(2x e) x, 故 ( ) ( 2) x

f x  xef(x)(x1)exC, 由 f(0)0, 得 C 1, 则 1

) 1 ( )

(xxex

f

例2 设 f (x)满足 f xf 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

(xn g n xx    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

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。

(5)

§1.2 极限

() 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

n

A

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) Alim f(x) B,则A=B 定理2 (极限的不等式性质)设lim f(x) Alim g(x)  B

x

变化一定以后,总有 f(x) g(x),则

AB

反之,

AB

,则

x

变化一定以后,有 f(x)g(x)(注:当g(x)0B0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) Alim 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 (A0) 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 0

lim 

x

x ,当

x  

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,

f(x)为无穷大量,则 ) ( 1

x

f 为无穷小量,

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

(6)

设lim f(x)0limg(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[ ( )]

g(x)是比 f(x)低阶的无穷小量

(2)l 0,称 f(x)g(x)是同阶无穷小量。

(3)l 1,称 f(x)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

x0时,

x x~

sin ,

tan x ~ x

arcsinx~ xarc tanx~ x2 2

~ 1 cos

1 x x

x

ex 1~ ln(1x) ~ x(1x)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xn1xn

n

为正整数)又xnm

n

为正整数),则

x

n

A

n

lim

存在,

Am

(2) 若xn1xn

n

为正整数)又xnM

n

为正整数),则

x

n

A

n

lim

存在,

A M

准则2:夹逼定理

g(x) f(x)h(x)。若lim g(x)  Alimh(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

v

e

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)

x0时,

2

1 ( )

2! !

n

x

x x

n

e 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

     

(7)

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

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(1lim ( )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

A

x g

x

f

) (

)

lim ( (或

第二层次,间接用洛必达法则"0"型和"  "型

0 0

1 1

lim ln lim( )

x

1

x

x x

x

x e

和 

第三层次:间接再间接用洛必达法则"1 " 型、"0 "0 型、"0"

(8)

 

( ) ( )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

x

x

x x

x x

x



 

 

例2.设当x0时,(1 cos ) ln(1 xx2)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

1

b 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

1

b 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

)

  

n

n

a ar

ar

解: r

a r a r ar

ar a

n

n n

n  

 

1 1

lim 1 ) (

lim  1

(9)

特例 (1)求 

     

n n

n )

3 (2 ) 1 ( 3)

(2 3) (2 3

lim 2 2 31

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

l2)

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

(10)

x0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 1

1

= …

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

2

x )

2cossin22xx

lim

x0

1 ( sin

2

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

ynn

则0xnyn,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

n

k

2 1 ) 2 (

) 1 2 (

1 2 lim

2

lim1 2

 

n n

n n n

n

n

n n

(11)

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

n  x(n1) ,则

) 1 ( 2 sin

sin sin

2 ( 1)

0 0

0

tdt

tdt

tdt n

n 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

xx arc

dx

例2 求

n

n k

n k n k

1 1

sin lim

(12)

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  

 

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 ""

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

x

x

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

x

x

(不好办了,分母

x

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

5

5 10

1

0

lim lim

lim

2





 

"" 型)

5

4

5!

lim

t

lim

t

0

t t

t

e e

 

 

 

(13)

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

 

0

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

3

2 cos 2 4 sin 2 4

lim x

x x x

x

 

0

2

3

4 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a0,b0常数。求

lim ( )

1 1

x x

x

x ab



(14)

解:原式

1 1

lim 1

x x

x

a b

x



 

lim

0

t t

t

a b t

0

"

0

"

型)

用洛必达法则

) ln ln

(

lim

0

a

t

a b

t

b

t

 lnalnb

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

sin2

lim

0

解:令yxsin2x,lnysin2 xlnx

0 ln sin lim ln

lim

2

0

0

y x x

x x

lim

0

1

0

 

y e

x

例2 设a0,b0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

ax bx x

y )

( 2

1 1

  ln [ln( ) ln2]

1 1

x ax bx y

x b

y a

x x

x

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

1 t x

參考文獻

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二、 点集的基本拓扑概念 [内部·外部·边界·包] 假定 S 是拓扑空间 X=里的一个点集,也就是 SD,那末 相对于S可以把X里的点分为三类: 1° 内点与内部.如果对一点x存在一个开集V,使xVS,那末称x为S的内点.. 点集S的包就是S的内部和S的边界的和集,也就是说S=S∪ B(S)=N(S)∪ B(S);