在进入正题之前,先来看一道题目.
[引例] 设$f(0)=0$,且$\lim_{h\rightarrow0}\frac{f(1-cos h)}{h^2}$存在,则$f’(0)$存在吗?
解:
$\lim_{h\rightarrow0}\frac{f(1-cos h)}{h^2}=\lim_{h\rightarrow0}\frac{f(0+(1-cos h))-f(0)}{h^2}=\frac12\ lim_{h\rightarrow0}\frac{f(0+(1-cos h))-f(0)}{\frac{h^2}{2}}=lim_{h\rightarrow0}\frac{f(0+(1-cos h))-f(0)}{(1-cos h)-0}$
令$1-cos h=t$,
则当$h\rightarrow0$时,$cos h\rightarrow1^-$(因为$|cos h|<=1$,所以只能从1的左侧趋近于1),从而$1-cos h\rightarrow0^+$,即$t\rightarrow0^+$
所以$\lim_{h\rightarrow0}\frac{f(1-cos h)}{h^2}=lim_{h\rightarrow0}\frac{f(0+(1-cos h))-f(0)}{(1-cos h)-0}=lim_{t\rightarrow0^+}\frac{f(0+t)-f(0)}{t-0}$存在(这是题干已知条件)
由极限的定义可知,$f(x)$在$x=0$处的右极限存在,即$f^{‘+}(0)$存在
但是,$f(x)$在$x=0$处的左极限是否存在
呢?根据当前已知的条件,我们无从得知,从而就不能确定$f(x)$在$x=0$处的导数是否存在(这里是根据导数的定义:只有当左右导数同时存在且相等时,才能确定该函数在该点的导数是存在的).
看完上面的引例,来进入正题!
[题目]计算极限$\lim_{x\rightarrow0}\frac{1-cosx\sqrt{cosx}}{x^2}$
解
$\lim_{x\rightarrow0}\frac{1-cosx\sqrt(cosx)}{x^2}=\lim_{x\rightarrow0}\frac{(1-cosx)+(cosx-cosx\sqrt{cosx})}{x^2}=\lim_{x\rightarrow0}\frac{1-cosx}{x^2}+\lim_{x\rightarrow0}\frac{cosx(1-\sqrt{consx})}{x^2}$
第一部分直接利用等价无穷小,得$\frac12$.
第二部分利用极限的四则运算法则,有
$\lim_{x\rightarrow0}\frac{cosx(1-\sqrt{cosx})}{x^2}=\lim_{x\rightarrow0}{cosx}.\lim_{x\rightarrow0}\frac{1-\sqrt{cosx}}{x^2}\=1.\lim_{x\rightarrow0}{\frac{1-cosx}{x^2(1+\sqrt{cosx})}=\lim_{x\rightarrow0}(\frac1{1+\sqrt{cosx})}\lim_{x\rightarrow0}\frac{1-cosx}{x^2}}\=\frac12{\lim_{x\rightarrow0}\frac{1-cosx}{x^2}}=\frac14$
所以最终结果为$\frac12+\frac14=\frac34$
现在,我们采用另外一种方法求解上题
$\lim_{x\rightarrow0}\frac{1-cosx\sqrt{cosx}}{x^2}=\frac12\lim_{x\rightarrow0}\frac{1-cosx\sqrt{cosx}}{1-cosx}$
到这里一切正常
继续
令$cosx=t$,由于$x\rightarrow0$时,$cosx\rightarrow1^-$(因为|cosx|<=1,所以只能从1的左侧趋近于1),即$t\rightarrow1^-$,从而上式可化为
$$\frac12\lim_{t\rightarrow1^-}\frac{1-t\sqrt{t}}{1-t}=\frac12\lim_{t\rightarrow1^-}\frac{1-t^{\frac32}}{1-t}$$
最后利用洛必达法则计算得到结果为$\frac34$
我的疑问:这里只计算出来了左极限存在为一个数,右极限不确定,类比刚开始的引例,那么以上过程是错误的吗?
这里的$\frac{1-t^{\frac32}}{1-t}$是初等函数,书上说初等函数在其定义区间(定义域内的任意一小区间,包含于定义域)上连续,而此函数的定义域为$cosx>=0且cosx!=1$,也就是$t>=0且t!=1$ 。
现在$t\rightarrow1^-$,而$1$是断点,不在定义区间上。(解惑:极限是在去心邻域定义的,这个不影响)
解惑:以上过程没毛病,当$t\rightarrow1^-$时,$x$可以从两侧趋近于0,$x$的双侧极限值都等于$t$的单侧极限值,可以把$x$的两侧极限都求解一下来验证这一点.:
利用第一种解法中的一步,即$\frac12{\lim_{x\rightarrow0}\frac{1-cosx}{x^2}}$,不论$x\rightarrow0^+$还是$x\rightarrow0^-$,由于它是偶函数,所以结果都是一样的。
一般的,我们需要讨论左右侧极限的题目类型如下:
1.分段函数,无论连续不连续,都一定得分左右证明
2.连续性问题,证明连续性
3.定积分时,若是广义积分、暇积分,不得不考虑单侧极限。是积分积出来之后才考虑单侧极限。
所以,快滚去看课本!