新讲 第11章 多维空间 第2题

教材习题

📝 题目

例 2 考察函数 “向第 $i$ 个坐标轴投影”:

$$ f\left( x\right) = f\left( {{x}^{1},\cdots ,{x}^{m}}\right) \mathrel{\text{ := }} {x}^{i}. $$

对于 $a = \left( {{a}^{1},\cdots ,{a}^{m}}\right) \in {\mathbb{R}}^{m}$ ,显然有

$$ \left| {f\left( x\right) - {a}^{i}}\right| = \left| {{x}^{i} - {a}^{i}}\right| \leq \parallel x - a\parallel . $$

因而

$$ \mathop{\lim }\limits_{{x \rightarrow a}}f\left( x\right) = {a}^{i}. $$

定理 1 设 $D \subset {\mathbb{R}}^{m},a$ 是 $D$ 的一个聚点, $m$ 元函数 $f$ 和 $g$ 在 $\check{U}\left( {a,\eta }\right) \cap D$ 有定义, $A,B \in \mathbb{R}$ . 如果

$$ \mathop{\lim }\limits_{\substack{{x \rightarrow a} \\ D }}f\left( x\right) = A,\;\mathop{\lim }\limits_{\substack{{x \rightarrow a} \\ D }}g\left( x\right) = B, $$

那么就有

(1) $\mathop{\lim }\limits_{\substack{{x \rightarrow a} \\ D }}\left\lbrack {f\left( x\right) + g\left( x\right) }\right\rbrack = A + B$ ;

(2) $\mathop{\lim }\limits_{\substack{{x \rightarrow a} \\ D }}\left\lbrack {f\left( x\right) g\left( x\right) }\right\rbrack = {AB}$ ;

(3) $\mathop{\lim }\limits_{\substack{{x \rightarrow a} \\ D }}\frac{f\left( x\right) }{g\left( x\right) } = \frac{A}{B}\left( {B \neq 0}\right)$ .

💡 答案解析

证明 根据函数极限的序列式定义, 所要证明的事项都可以从关于实数序列极限的相应结果推得.

📋 详细解题步骤

步骤 1/2
目标:证明投影函数的极限
对于投影函数 f(x)=x^i 和点 a=(a^1,...,a^m),利用不等式 |f(x)-a^i| = |x^i - a^i| ≤ ||x-a||,由夹逼定理得 lim_{x→a} f(x)=a^i。
公式:|x^i - a^i| ≤ ||x-a||
提示:注意欧几里得范数定义:||x-a|| = sqrt((x^1-a^1)^2+...+(x^m-a^m)^2),因此每个分量差绝对值不超过范数。
步骤 2/2
目标:证明极限的四则运算法则
利用函数极限的序列式定义:若 lim f(x)=A, lim g(x)=B,则对任意趋于a的序列{x_n},有 f(x_n)→A, g(x_n)→B。根据实数序列极限的运算法则,可得 f(x_n)+g(x_n)→A+B, f(x_n)g(x_n)→AB, 以及当B≠0时 f(x_n)/g(x_n)→A/B。再由序列式定义,即得函数极限的相应结论。
公式:lim_{x→a} (f(x)+g(x)) = A+B, lim_{x→a} (f(x)g(x)) = AB, lim_{x→a} (f(x)/g(x)) = A/B (B≠0)
提示:序列式定义是连接函数极限与数列极限的桥梁,注意前提是a为聚点且函数在去心邻域有定义。

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