一文通俗搞懂極限(一元/二元)、連續(xù)、無窮小比階!

極限作為考研數(shù)學(xué)的開篇,試圖讓我們接受"你可以無窮趨近,但你永遠也不能達到"的狀態(tài),這種有悖常理的狀態(tài)充滿吊詭,加之一堆古希臘符號,讓我們對"無窮"之下的不確定性感到畏懼。

不止是我們,久遠以前的智者,也對極限的悖論有過思考,《莊子》中惠施所言:“一尺之棰 日取其半 萬世不竭”芝諾也提出:“一段路,先走1/2,再走剩下的1/2……如此循環(huán),永遠不能到達終點”。

類似的,舉個我和Kaysen(另一位學(xué)長)回家的例子,來說明極限趨近的本質(zhì),例如我和kaysen每天分別走剩下路程的1/2和2/3。如下圖所示:

煜神、Kaysen在回家(永遠在路上)

對于Kayen:第一天,還有1/2的路;第二天還有1/4的路,第n天,還有 \frac{1}{2^{n}}?,斗轉(zhuǎn)星移, n\rightarrow\infty?Kaysen離家的路程還有 \lim_{n \rightarrow \infty}{\frac{1}{2^{n}}}?。

對于我而言:第一天還有1/3;第二天,還有1/9,第n天,還有 \frac{1}{3^{n}}?,日積月累, n\rightarrow\infty 我離家的路程還有 \lim_{n \rightarrow \infty}{\frac{1}{3^{n}}}?。

要想知道Kaysen和我胡子白了之后誰距離家更近,作商, \lim_{n \rightarrow \infty}{\frac{1}{2^{n}}/\frac{1}{3^{n}}} = \lim_{n \rightarrow \infty}{\left( \frac{3}{2} \right)^{n}}\rightarrow\infty?。意味著Kaysen比我回家的路更艱難,我比Kaysen回家速度更“快”!,而這就是無窮小比階的知識點:

無窮小比階(比速度)

此時會產(chǎn)生一個悖論,Kaysen和我胡子白了,離家都無窮近(一腳就能踏進家門),我比Kaysen回家的速度又“無窮快”,那為什么我還是在“有生之年”到不了家?(真讓人頭疼?。。?/p>

來一起解釋下,無窮小比階的高階無窮小概念,Kaysen和我離家的距離都是“無窮小”,但是我離家的距離又是Kaysen離家距離的高階無窮??!也就是無窮小之下的無窮?。∥腋鶮aysen回家速度的相對快慢并不改變我們無窮趨近家又都到不了家的事實!

上面所說的極限回家模型,雖然說的是回家,但是隱含有前置條件:那就是永遠都回不了家!類似于我們想要成為一個完美的人,但是我們不管怎么成長,只能趨近于完美,但永遠也無法達到絕對的完美,因為這一設(shè)想內(nèi)在地隱含了“人不可能達到絕對的完美”這樣一個客觀的結(jié)果。

之所以我們會產(chǎn)生上述悖論的困惑,是由于我們會本能地將無窮小和作商的無窮大天然對立,無窮小超出了我們的經(jīng)驗,所以它是想象力和天賦理性的范疇,而不是常識的范疇。用常識去做思考,就會陷入到惠施所說的:“一尺之棰,日取其半,萬世不竭”的“常識悖論”之中。

“無窮快”與“無窮天”不沖突

接下來,一起看一元函數(shù)的極限趨近,同樣是回家,我們可以從相反的兩個方向回家,左邊方向回家可以看成左極限,右邊方向回家可以看成右極限。

如果兩個方向都能無限趨近家門,那么在家的附近(去心鄰域),道路就是通暢的(連續(xù)的),此時左極限等于右極限,也就是極限存在,如下表達式:

左右都能通暢的回家

\lim_{x \rightarrow x_{0}-}{f(x)}=A;\lim_{x \rightarrow x_{0}+}{f(x)}=A 即\lim_{x \rightarrow x_{0}}{f(x)}=A

所以在一元函數(shù)中,若某點處連續(xù),則有該點處的左極限等于右極限(也就是極限存在)的結(jié)論。反之不一定對,如下圖:

走了太長時間,房子倒塌了

此時依然有左極限等于右極限等于A(都能流暢的回家),但是由于極限是不斷趨近于某個值(離家越來越近),但是不等于這個值(到不了家),所以家的情況是不清楚的,所以此時如果家沒有了,那么在家這一點處是沒有值的,即不連續(xù),如下表達式:

\lim_{x \rightarrow x_{0}}{f(x)}=A≠f(x_{0})?即可去間斷點

某些壞人為了阻止我回家,立了堵墻

但如果另一條方向上,在家附近有一道圍墻擋住了去路,那么沿這條路就不能無窮趨近于家門,此時就存在間斷,同時可以得到左極限不等于右極限,也就是極限不存在了,如下表達式:

\lim_{x \rightarrow x_{0}-}{f(x)}=A;\lim_{x \rightarrow x_{0}+}{f(x)}=B ;A≠B

根據(jù)間斷點知識,這個間斷點為跳躍間斷點。

這樣拓展類比到二元函數(shù)中,回家的路徑有無窮多個方向,任意方向都能回家,才說回家的路徑是通暢的(連續(xù))。

所有路徑都是通暢的

按照表達式即為:?\lim_{x \rightarrow x_{0},y\rightarrow y_{0}}{f(x,y)}=A

如有路徑被圍墻、河山阻斷,此路不通,那么就說回家的路徑是不通暢的(間斷),如下圖。

部分路徑不通暢

總的來說:二元函數(shù)與一元函數(shù),某點連續(xù)的定義本質(zhì)上都是相同的,即要求所有方向都能夠趨近該點(且等于該點),無非是一元函數(shù)只有兩個方向的趨近,而二元函數(shù)有無窮個方向可以趨近,當(dāng)無窮個方向中哪怕有一條無法趨近,就認(rèn)為存在間斷。一元只用判斷兩條路徑;二元需要判斷無窮條路徑,也使得二元函數(shù)的連續(xù)條件看上去似乎更為苛刻。

本文通俗地闡述了極限的趨近與一元、二元函數(shù)的連續(xù)與間斷,希望能幫助大家加深對極限思想的認(rèn)識,同時,如果大家還有不明白的或者有更好的理解,歡迎在評論區(qū)留言。下一篇將對漸近線進行通俗化的解讀,下期見。

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