微积分 · 追问笔记
THE CALCULUS LIFESAVER / 附录 A

极限与证明

把直觉改写为带量词和条件的证明,理解主要定理之间的依赖关系。

9 组核心追问3 组练习原书 pp. 669–702

先修:可随第 3、5、6、11、14、24 章回读

这一章怎么读
  1. 先看问题,暂停一下,用自己的话作答。
  2. 卡住时只展开提示,再阅读推理与公式。
  3. 独立做三组练习;隔一天不看解答重做错题。

建议将一章分成数次学习;以能解释理由、独立做题为进度标准。

本章目录A.1 极限的严格定义A.2 极限运算法则的证明A.3 各种极限的量词A.4 连续复合、介值与最值A.5 从积分构造指数对数A.6.1–A.6.5 求导法则的证明A.6.6–A.6.10 极值、中值与线性误差A.6.11 洛必达的证明路线A.7 泰勒局部近似定理
追问 01

A.1 极限的严格定义

对手先指定输出误差,你怎样保证所有足够近的输入都合格?

先看一个提示

你选择的输入半径可以依赖误差,但不能依赖随后任取的 xx。

展开推理与讲解

对每个 ε>0\varepsilon>0,必须找到 δ>0\delta>0,使定义域内所有满足 0<∣x−a∣<δ0<\lvert x-a\rvert<\delta 的输入都满足输出误差小于 ε\varepsilon。量词顺序是核心。证明常先从目标不等式反推,再按“任给误差—选择半径—验证”的正向顺序书写。

∀ε>0 ∃δ>0:0<∣x−a∣<δ⇒∣f(x)−L∣<ε\forall\varepsilon>0\ \exists\delta>0:\quad0<\lvert x-a\rvert<\delta\Rightarrow\lvert f(x)-L\rvert<\varepsilon
追问 02

A.2 极限运算法则的证明

两个误差怎样合并,才能控制总误差?

先看一个提示

把总误差拆成各自可控的部分。

展开推理与讲解

和差用三角不等式,并把容许误差分为两半。乘积用 fg−LM=f(g−M)+M(f−L)fg-LM=f(g-M)+M(f-L),先用收敛性把 ff 局部界住。商先证明分母绝对值大于极限绝对值的一半,再控制倒数误差。夹逼则用上下界各自进入同一误差窗。

∣fg−LM∣≤∣f∣∣g−M∣+∣M∣∣f−L∣\lvert fg-LM\rvert\le\lvert f\rvert\lvert g-M\rvert+\lvert M\rvert\lvert f-L\rvert
追问 03

A.3 各种极限的量词

趋于无穷时,“误差小于某值”应该换成什么?

先看一个提示

输出目标改为越过任意大的门槛。

展开推理与讲解

f→+∞f\to+\infty 是任意大门槛 MM 都能在足够近处超过;x→∞x\to\infty 则把输入限制改为超过某个 NN。单侧极限只检查指定一边的输入。三角振荡可用两条趋向同一点却输出不同的数列否定极限。

lim⁡x→∞f(x)=L: ∀ε>0 ∃N ∀x>N, ∣f(x)−L∣<ε\lim_{x\to\infty}f(x)=L:\ \forall\varepsilon>0\ \exists N\ \forall x>N,\ \lvert f(x)-L\rvert<\varepsilon
追问 04

A.4 连续复合、介值与最值

存在性定理背后用到了实数的什么性质?

先看一个提示

不断缩小的区间必须有共同的极限位置。

展开推理与讲解

连续复合将外函数给出的允许输入误差作为内函数需要达到的输出误差。介值证明可对异号区间二分,每次保留异号的一半,利用完备性与连续性得到零点。闭区间最值证明先用紧致性得到有界,再取函数值趋于上确界的点列及其收敛子列,连续性保证极限点取到上确界。

xn→c, f 连续⟹f(xn)→f(c)x_n\to c,\ f\text{ 连续}\Longrightarrow f(x_n)\to f(c)
追问 05

A.5 从积分构造指数对数

怎样避免用对数积分公式去证明对数本身?

先看一个提示

先把 ∫1xdt/t\int_1^xdt/t 定义为新函数。

展开推理与讲解

令 F(x)=∫1xdt/tF(x)=\int_1^xdt/t,用基本定理得 F′=1/x>0F'=1/x>0。固定正 aa,函数 F(ax)−F(x)F(ax)-F(x) 导数为零,代 x=1x=1 得 F(ax)=F(a)+F(x)F(ax)=F(a)+F(x)。由此建立对数法则;用其反函数定义指数,反函数求导得指数导数等于自身,再识别自然底数。

F(x)=∫1xdtt,F(ax)=F(a)+F(x)F(x)=\int_1^x\frac{dt}t,\quad F(ax)=F(a)+F(x)
追问 06

A.6.1–A.6.5 求导法则的证明

链式法则的证明为何不能总除以内层增量?

先看一个提示

内层函数可能在一些邻近点保持同一输出。

展开推理与讲解

和、常数倍直接拆差商。乘积先加减 f(x+h)g(x)f(x+h)g(x),再用可导必连续;商从乘积与倒数求导推出。链式法则可用余项形式 f(b+u)=f(b)+f′(b)u+o(u)f(b+u)=f(b)+f'(b)u+o(u),代入 u=g(x+h)−g(x)u=g(x+h)-g(x),避免 u=0u=0 时非法相除。

g(x+h)−g(x)=g′(x)h+o(h)g(x+h)-g(x)=g'(x)h+o(h)
追问 07

A.6.6–A.6.10 极值、中值与线性误差

中值定理为什么是很多单调性结论的共同起点?

先看一个提示

它把整个区间的函数差转成某点导数。

展开推理与讲解

内部极值用正负 hh 的差商夹出导数为零;罗尔用闭区间最值存在性找内部极值;一般中值定理先减去割线。线性误差可由二阶信息控制。分段函数证明必须分别处理连续性与差商,避免只比较两边公式就跳过点值。

f(b)−f(a)=f′(c)(b−a)f(b)-f(a)=f'(c)(b-a)
追问 08

A.6.11 洛必达的证明路线

为什么分子分母的导数之比会与原比值相连?

先看一个提示

使用同时比较两函数变化的柯西中值定理。

展开推理与讲解

在有限点 0/00/0 情况且可连续补值时,柯西中值定理给 [f(x)−f(a)]/[g(x)−g(a)]=f′(c)/g′(c)[f(x)-f(a)]/[g(x)-g(a)]=f'(c)/g'(c),中间点随 x→ax\to a 也趋于 aa。这证明该情形;无穷比无穷与无穷远需要相应延拓论证,不能把这一页的证明冒充所有版本。

f(x)−f(a)g(x)−g(a)=f′(c)g′(c)\frac{f(x)-f(a)}{g(x)-g(a)}=\frac{f'(c)}{g'(c)}
追问 09

A.7 泰勒局部近似定理

为什么匹配到 NN 阶导数会给出高于 NN 阶的小误差?

先看一个提示

把差除以 (x−a)N(x-a)^N,反复比较导数。

展开推理与讲解

在足够光滑条件下,R=f−PNR=f-P_N 的零至 NN 阶导数在中心都为零,反复洛必达可得 R/(x−a)N→0R/(x-a)^N\to0。若另一个不相同的 NN 次以内多项式也有此性质,两多项式之差的最低非零幂会与之矛盾,因此局部匹配多项式唯一。这里讨论的是局部阶数,不是全区间最小最大误差。

f(x)−PN(x)=o((x−a)N)f(x)-P_N(x)=o((x-a)^N)

本章练习 · 先尝试,再揭示

本书没有独立章末习题集。以下明确区分原书例题、正文结论改编及补充自测;页码是印刷页码,链接另标 PDF 页序。延伸问法已在题目或解答中说明。

练习 1 / 3

原书例题重述 · A.1.3 · 原书 p. 673(PDF 第 698 页)↗

用 ε\varepsilon–δ\delta 定义证明 lim⁡x→3x2=9\lim_{x\to3}x^2=9。

写下我的思路
提示一 · 从哪里开始

把误差因式分解。

提示二 · 关键转折

先令 ∣x−3∣<1\lvert x-3\rvert<1,于是 ∣x+3∣<7\lvert x+3\rvert<7。

参考解答 · 完成尝试后再展开

任给 ε>0\varepsilon>0,取 δ=min⁡(1,ε/7)\delta=\min(1,\varepsilon/7)。若 0<∣x−3∣<δ0<\lvert x-3\rvert<\delta,则 ∣x2−9∣=∣x−3∣∣x+3∣<7δ≤ε\lvert x^2-9\rvert=\lvert x-3\rvert\lvert x+3\rvert<7\delta\le\varepsilon。这使用与原例相同的局部界思路,给出另一种有效半径。

练习 2 / 3

原书证明改为练习 · A.2.1 · 原书 p. 674(PDF 第 699 页)↗

已知 f→L,g→Mf\to L,g\to M,证明 f+g→L+Mf+g\to L+M。

写下我的思路
提示一 · 从哪里开始

把容许误差分给两个函数。

提示二 · 关键转折

各自取保证误差小于 ε/2\varepsilon/2 的半径,再取最小值。

参考解答 · 完成尝试后再展开

取 δ=min⁡(δf,δg)\delta=\min(\delta_f,\delta_g),则两误差同时受控。由三角不等式,∣(f+g)−(L+M)∣≤∣f−L∣+∣g−M∣<ε\lvert(f+g)-(L+M)\rvert\le\lvert f-L\rvert+\lvert g-M\rvert<\varepsilon,完成证明。

练习 3 / 3

补充自测 · 对应 A.3 · 本笔记编写

用定义证明 lim⁡x→∞1/x=0\lim_{x\to\infty}1/x=0;再用两列点否定 lim⁡x→0sin⁡(1/x)\lim_{x\to0}\sin(1/x) 的存在。

写下我的思路
提示一 · 从哪里开始

第一问选择输入门槛;第二问让正弦分别等于 1 和 -1。

提示二 · 关键转折

取 xn=1/(π/2+2nπ)x_n=1/(\pi/2+2n\pi)、yn=1/(3π/2+2nπ)y_n=1/(3\pi/2+2n\pi)。

参考解答 · 完成尝试后再展开

第一问任给 ε>0\varepsilon>0,取 N=1/εN=1/\varepsilon,x>Nx>N 时 1/x<ε1/x<\varepsilon。第二问两列都趋零,但函数值恒为 1 与 -1,不可能趋同一极限。

学习闭环

过关自查

写一段自己的章节总结

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