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單側極限與序列觀點

只從左側或只從右側逼近一個點,並學習函數極限與序列極限之間強大的等價關係。

從一側逼近

有時函數在一個點的兩側表現不同。單側極限限制了逼近的方向。右極限,記作當 x -> a+ 時 f(x) 的極限,只要求對區間 (a, a + δ) 內的 x 滿足 ε–δ 條件;左極限 x -> a- 則使用 (a - δ, a)。具體地說,當對每個 ε > 0 都存在 δ > 0,使得只要 a < x < a + δ 就有 |f(x) - L+| < ε 時,右極限就是 L+。

Let f(x) = x / |x|  for x != 0.
  For x > 0:  f(x) = x/x = 1,   so lim_{x->0+} f(x) = 1.
  For x < 0:  f(x) = x/(-x) = -1, so lim_{x->0-} f(x) = -1.
Since 1 != -1, the two-sided limit lim_{x->0} f(x) does NOT exist.
(The function has a jump at 0.)
不相等的單側極限證明雙側極限不存在——一個乾淨的反例。

序列判別法

函數世界與序列世界之間有一座橋。序列判別法說:當 x -> a 時 f(x) 的極限等於 L,當且僅當對定義域中每個滿足 x_n != a 且 x_n -> a 的序列 (x_n),其像序列 f(x_n) -> L(通常意義下的序列極限)。一個關於連續逼近的陳述變成了一個關於所有序列的陳述。

這對於反駁極限非常有用:你只需找到一個滿足 x_n -> a 但 f(x_n) 不收斂到 L 的序列,或者兩個像趨於不同值的序列。經典的病態例子是 0 附近的 f(x) = sin(1/x)。

Claim: lim_{x->0} sin(1/x) does not exist.
  Take two sequences both ->0:
    a_n = 1/(n*pi)            => sin(1/a_n) = sin(n*pi)       = 0,    so f(a_n) -> 0.
    b_n = 1/(2*pi*n + pi/2)   => sin(1/b_n) = sin(2*pi*n+pi/2) = 1,    so f(b_n) -> 1.
  Two sequences -> 0 give image limits 0 and 1.
  By the sequential criterion, lim_{x->0} sin(1/x) cannot exist.  QED
兩個收斂到 0 的輸入序列產生不同的輸出極限——所以不存在單一的 L 能成立。