變態的多元函數如何求其極限?

2021-01-11 別跡無涯

多元函數中,最難懂、最難求的地方是多元函數的極限問題。相信不少人都看過了二元函數極限、連續的定義了,但是做題時卻不會做,而對複習全書上的答案可能也似懂非懂、不太理解吧?今天小編就二元函數的極限、連續問題做一個詳細地闡述,二元以上的多元函數的極限、連續概念就是在二元函數基礎上延伸而來。

二元函數極限,本質上就是:若(x, y)沿任意路徑趨於(a, b)時,函數f(x, y)在點(a, b)的極限存在且相等為A,則函數f(x, y)在點(a, b)的極限為A。

但是很多時候,大家可能對所謂的任意路徑不甚理解,有些題目可能只知道做題,而沒有思考更深層次的問題,即為什麼這個方法滿足了二元函數極限定義的要求。小編今天將列舉三個例子,試圖徹底把二元函數極限問題闡述清楚。

1.化零為整求極限

且看下面這道題:

對於上面這道題,有沒有同學是採用下面這條思路做得呢:

首先小編告訴大家,答案是對的,但過程是錯的。請看下面這張圖,在這裡,小編假設無窮大是一個點,題目所求的就是當點(x,y)趨於點(∞,a)時,該函數的極限是多少。但是上面的解法體現的過程是:先沿y方向趨於a,然後沿x方向趨於無窮。而根據二元函數極限定義,需得說明點(x,y)沿任意路徑趨於(∞,a),極限都為A,顯然,上面的解答不正確。

正確的解答過程如下:

在最後,小編只是把最終的答案寫出來,這是因為其中的過程需要單獨擰出來說下。在上面的解答中,用到兩次化整為零,即將兩個變量化為一個變量。第一個是令t=xy,當x趨於無窮大,y趨於a時,t趨於無窮大;第二個是令m=y/x,此時m趨於0。在這裡,請大家注意,切勿自作聰明,像剛剛錯誤的解答過程那樣,先代y,再代x。

不過,為什麼當我們令t=xy,t趨於無窮時,就能說明包含了(x, y)沿任意路徑趨於(∞, a)呢?這其實就是因為不管(x, y)如何趨於(∞, a),t總是趨於無窮的,這是顯然成立而無需證明的。但是若當(x, y)趨於(0, 0)時,不能用t=x/y進行化零為整,因為我們無法確認當(x, y)趨於(0, 0)時,t會趨於何值。因此,當需要用到化零為整時,首先要確保的是換元後的變量有個明確的、易判斷的極限值。

2.放大縮小求極限

有些題目不好直接用化整為零求極限,可以考慮放大縮小法進行求解,請看下面這道題:

所謂的放大縮小,原理其實跟夾逼定理一樣,就是找到一個極限式的上限和下限,當上限和下限相等時,則該極限的值就是上限和下限的值。

不難發現上題的下限是0,即該極限值必然大於0。對於上限,則需要對函數進行適當的放大,過程如下:

從上可以看出,題目的上限也為0,因此該題的極限值就為0。

3.如何證明極限不存在?

從二元極限的定義不難看出,要證明一個極限不存在,只需要找到兩條路徑,使得當(x,y)沿這兩條路徑趨於(a,b)時,極限有兩個不同的值,則該極限不存在。

看下題:

如何證明上題的極限不存在呢?

在這裡,小編要提醒下,所謂的路徑,其實就是一個y與x的關係式。不難給出兩個例子,即當(x,y)沿y=x趨於(0,0)時,極限為1;當(x,y)沿y=2x趨於(0,0)時,極限為4。這就找出了兩條路徑,當(x,y)沿這兩條路徑趨於(0,0)時,極限不相等,因此上題的極限不存在。

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