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如何理解多变量函数的极限?

本文是连载中的课程《多变量微积分》中的一课,欢迎同学订阅。

多变量函数的极限是单变量函数极限的扩展,让我们从数列极限的直观开始学习。


1 数列极限的直观

在古希腊的时候,人们就知道可以用等边多边形的面积来逼近圆形的面积:


假设用

 来表示内接等边
 
边形的面积,那么可以用一个数列来描述这个逼近过程:

这个数列的极限就是圆形的面积:

可以通过直角坐标系中的图像来展示该数列极限,可以看到随着 

 的增加,数列越来越逼近圆形的面积:

2 函数极限的直观

2.1 单变量函数的极限

对于更一般的单变量函数的极限(数列可以看作是定义域为自然数的函数):

如果 

 看作,在 
 
的去心邻域内,从左侧或右侧逼近 
 
的点:

那么极限

 可以解读为,当
 
沿着上述的点逼近 
 
时,对应的函数值
 
也不断逼近
 

2.2 多变量函数的极限

这种观点是可以推广到多变量函数的极限上去的,比如二元函数的极限:

其中的 

 可以看作,在 
 
的去心邻域内,从四面八方逼近 
 
的点列:

那么二元函数的极限就是,当

 沿着上述的点列逼近 
 时,对应的函数值
 
也不断逼近 
 
(下图如果把 
 
画出来就太乱了,不过还是可以看出,沿着这些点,对应的函数值都逼近于同一个值):


3 一元函数极限的定义

虽然直观看上去极限并不难理解,但由于数学上的原因(这在课程《单变量微积分》中解释过了,这里不再赘述),一元函数极限的严格定义并不简单。

3.1 一元函数极限的严格定义

设函数 

  
 
上有定义。如果存在常数 
 
,对任意给定的正数 
 ,总存在正数 
 
,使得当 
 
满足不等式时(也就是 
 
属于 
 
的去心邻域):

对应的函数值 

 都满足不等式:

那么常数 

 就叫做函数 
 
 
 
的极限,记作:

这个定义在这里简单解释一下,如果函数 
 
 
 
点的极限为
 


那么以 

 为中心, 
为半径构建一个区间
图用矩形来表示该区间),必能找到某正数
 
,使得去心邻域 
 
内的函数值都在该区间内(蓝色表示区间内的函数曲线,红色表示区间外的函数曲线):

并且不论 

 如何缩小,总能找到新的正数 
 
,使得去心邻域 
 
内的函数值都在该区间内(下面动画展现了先缩小 
 ,然后寻找 
 这个过程):

如果满足上面所说的,那么有:

3.2 回归直观

如果把每次找到的 

 的边界点保留下来:

沿着这些点列靠近 

 ,对应的函数值就会不断逼近 
 
,这又回到了之前我们对极限的直观上了:


4 聚点

二元函数的极限定义和一元函数类似,只是由于二元函数的邻域更复杂,所以需要引入聚点的概念:

如果对于任意给定的
 
,点 
 
的去心邻域 
 
内总有平面点集 
 
中的点,那么称点 
 
 
 
 聚点 

比如下面的点

 就是一个聚点,随便怎么缩小它的去心领域的半径,去心邻域内总有平面点集 
 
中的点:

定义聚点是为了保证,从

 的某去心邻域内的某一点
 
出发,至少能找到一串完全在 
 
中的点来靠近 
 

也就是说,聚点保证了下面这个极限过程是可行的、是存在的:


5 二元函数的极限

弄清楚聚点之后,下面可以给出二元函数极限的定义了:

设二元函数 
 
的定义域为 
 
 
 
 
 
的聚点。如果存在常数 
 
,对于任意给定的正数 
 ,总存在正数 
 
,使得当点 
 
满足下列条件时:

都有:

成立,那么就称常数 

 为函数 
 
 
 
时的极限,记作:

因为这是二元函数的极限,所以也称作 二重极限 

5.1 与一元函数极限的区别

二重极限和一元函数极限定义相比,最大的区别在于:

在一元函数中,函数的定义域和去心邻域合二为一。而在二元函数中,函数的定义域 

 和去心邻域 
 不一定重合,相交部分才是我们关心的:

并且 

  
 
的聚点,这样可以保证无论 
 
多小,去心邻域和定义域 
 
总是有相交部分的(当然也保证了能有一串靠近 
 
的点列):

剩下的部分就和一元函数极限的定义差不多了。

5.2 二重极限定义的几何意义

假设二元函数 

  
 
有极限 
 

那么以 

 为中心, 
 为半径构建一个区间 
 ,必能找到某正数 
 
,使得符合下面条件的点:

对应的函数值都在该区间内:

当然,同一元函数的极限相同,随着 

 的缩小,始终能够找到合适的 
 
,使得对应的函数值都在 
 规定的区间内。并且这个过程意味着可以找到一串不断逼近 
 
的点列,沿着这串点列,函数值不断逼近 
 
,最终可以得到:

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