定理3.2(唯一性):若極限lim(x→x0)f(x)存在,則此極限是唯一的.
證:設A,B都是f當x→x0時的極限,則ε>0,分別有正數δ1與δ2,使
當0<|x-x0|<δ1時,有|f(x)-A|<ε/2;當0<|x-x0|<δ2時,有|f(x)-B|<ε/2.
取δ=min{δ1,δ2},則當0<|x-x0|<δ時,|A-B|≤|f(x)-A|+|f(x)-B|<ε,
由ε的任意性,可知A=B. ∴lim(x→x0)f(x)存在時,此極限是唯一的。
定理3.3(局部有界性):若lim(x→x0)f(x)存在,則f在x0的某空心鄰域U(x0)內有界.
證:設lim(x→x0)f(x)=A,取ε=1,則存在正數δ,使得對一切x∈U(x0;δ)有
|f(x)-A|<1=>|f(x)|<|A|+1. ∴lim(x→x0)f(x)存在時,f在U(x0;δ)內有界.
定理3.4(局部保號性):若lim(x→x0)f(x)=A>0(或<0),則對任何正數r<A(或r<-A)存在U(x0)有:f(x)>r>0(或f(x)<-r<0).
證:當lim(x→x0)f(x)=A>0時,對任何r∈(0,A),取ε=A-r,則存在正數δ,
使得對一切x∈U(x0;δ)有f(x)>A-ε=r,∴f(x)>r>0.
當lim(x→x0)f(x)=A<0時,對任何-r∈(A,0),取ε=-r-A,則存在正數δ,
使得對一切x∈U(x0;δ)有f(x)<A+ε=-r,∴f(x)<-r<0.
定理3.5(保不等式性):若lim(x→x0)f(x)與lim(x→x0)g(x)都存在,且在某鄰域U(x0;δ』)內有:f(x)≤g(x),則lim(x→x0)f(x)≤lim(x→x0)g(x).
證:設lim(x→x0)f(x)=A,lim(x→x0)g(x)=B,則對ε>0,分別有正數δ1與δ2,使
當0<|x-x0|<δ1時,有A-ε/2<f(x);當0<|x-x0|<δ2時,有g(x)<B+ε/2.
取δ=min{δ』,δ1,δ2},則當0<|x-x0|<δ時,A-ε/2<f(x)≤g(x)<B+ε/2,從而有
A<B+ε. 由ε的任意性,可知A≤B. 即lim(x→x0)f(x)≤lim(x→x0)g(x).
注:當f(x)<g(x)時,仍有lim(x→x0)f(x)≤lim(x→x0)g(x).
反之,當lim(x→x0)f(x)<lim(x→x0)g(x)時,在某U(x0)內有f(x)<g(x).
定理3.6(迫斂性):設lim(x→x0)f(x)=lim(x→x0)g(x)=A,且在某U(x0;δ』)內有:
f(x)≤h(x)≤g(x),則lim(x→x0)h(x)=A.
證:∵lim(x→x0)f(x)=lim(x→x0)g(x)=A,
∴對ε>0,分別有正數δ1與δ2,使
當0<|x-x0|<δ1時,有A-ε<f(x);當0<|x-x0|<δ2時,有g(x)<A+ε.
取δ=min{δ』,δ1,δ2},則當0<|x-x0|<δ時,A-ε<f(x)≤h(x)≤g(x)< A+ε,從而有
|h(x)-A|<ε. ∴lim(x→x0)h(x)=A.
定理3.7(四則運算法則):若極限lim(x→x0)f(x)與lim(x→x0)g(x)都存在,則函數f±g,f·g當x→x0時的極限也存在,且:
(1)lim(x→x0)[f(x)±g(x)]=lim(x→x0)f(x)±lim(x→x0)g(x);
(2)lim(x→x0)[f(x)g(x)]=lim(x→x0)f(x)·lim(x→x0)g(x).
(3)當lim(x→x0)g(x)≠0時,f/g當x→x0時的極限也存在,且:
lim(x→x0) f(x)/g(x)=(lim(x→x0)f(x))/(lim(x→x0)g(x)).
證:設lim(x→x0)f(x)=A,lim(x→x0)g(x)=B,則
對ε>0,分別有正數δ1與δ2,使
當0<|x-x0|<δ1時,有|f(x)-A|<ε,即A-ε<f(x)<A+ε;
當0<|x-x0|<δ2時,有|g(x)-B|<ε,即B-ε<g(x)<B+ε.
取δ=min{δ1,δ2},則當0<|x-x0|<δ時:
(1)有A+B-2ε<f(x)+g(x)<A+B+2ε,A-B-2ε<f(x)-g(x)<A-B+2ε;
∴lim(x→x0)[f(x)±g(x)]=A±B=lim(x→x0)f(x)±lim(x→x0)g(x).
(2)|f(x)g(x)-AB|=|g(x)(f(x)-A)+A(g(x)-B)|
≤|g(x)||f(x)-A|+|A||g(x)-B|<(|g(x)|+|A|)ε
又|g(x)|-|B|≤|g(x)-B|<ε,即|g(x)|<ε+|B|,
∴|f(x)g(x)-AB|<(ε+|B|+|A|)ε;
∴lim(x→x0)[f(x)g(x)]=AB=lim(x→x0)f(x)·lim(x→x0)g(x).
(3)|f(x)/g(x)-A/B|=|(Bf(x)-Ag(x))/Bg(x)|=|(B(f(x)-A)-A(g(x)-B))/Bg(x)|
≤(|B||f(x)-A|+|A||g(x)-B|)/(|B||g(x)|)<((|B|+|A|)ε)/(|B||g(x)|).
又|B|-|g(x)|≤|g(x)-B|<ε,即|g(x)|> |B|-ε,
∴|f(x)/g(x)-A/B|<((|B|+|A|)ε)/(|B|||B|-ε|);
∴lim(x→x0) f(x)/g(x)=A/B=(lim(x→x0)f(x))/(lim(x→x0)g(x)).
例1:求lim(x→0)x[1/x].
解:當x>0時,1-x<x[1/x]≤1;當x<0時,1≤x[1/x]<1-x.
∵lim(x→0)(1-x)=1,
由迫斂性得lim(x→0+)x[1/x]=lim(x→0-)x[1/x]=1;
∴lim(x→0)x[1/x]=1.
例2:求lim(x→π/4)(x tanx-1).
解:lim(x→π/4)(x tanx-1)=lim(x→π/4)(x sinx/cosx-1)
=lim(x→π/4)x·(lim(x→π/4)sinx)/(lim(x→π/4)cosx)-1=π/4-1.
例3:求lim(x→-1)(1/(x+1)-3/(x^3+1)).
解:當x+10時,
lim(x→-1)(1/(x+1)-3/(x^3+1))=lim(x→-1)((x+1)(x-2))/((x+1)(x^2-x+1))
=lim(x→-1)(x-2)/(x^2-x+1)=(-1-2)/((-1)^2-(-1)+1))=-1.
例4:證明lim(x→0)a^x=1(a>1).
證:ε>0,不妨設ε<1,為使|a^x-1|<ε,即1-ε<a^x<1+ε,
∵a>1,即log_a(1-ε)<x<log_a(1+ε).
只要令δ=min{log_a(1+ε),-log_a(1-ε)},
則當0<|x|<δ時,就有|a^x-1|<ε,∴lim(x→0)a^x=1(a>1).