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单侧极限与序列观点

只从左侧或只从右侧逼近一个点,并学习函数极限与序列极限之间强大的等价关系。

从一侧逼近

有时函数在一个点的两侧表现不同。单侧极限限制了逼近的方向。右极限,记作当 x -> a+ 时 f(x) 的极限,只要求对区间 (a, a + δ) 内的 x 满足 ε–δ 条件;左极限 x -> a- 则使用 (a - δ, a)。具体地说,当对每个 ε > 0 都存在 δ > 0,使得只要 a < x < a + δ 就有 |f(x) - L+| < ε 时,右极限就是 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.)
不相等的单侧极限证明双侧极限不存在——一个干净的反例。

序列判别法

函数世界与序列世界之间有一座桥。序列判别法说:当 x -> a 时 f(x) 的极限等于 L,当且仅当对定义域中每个满足 x_n != a 且 x_n -> a 的序列 (x_n),其像序列 f(x_n) -> L(通常意义下的序列极限)。一个关于连续逼近的陈述变成了一个关于所有序列的陈述。

这对于反驳极限非常有用:你只需找到一个满足 x_n -> a 但 f(x_n) 不收敛到 L 的序列,或者两个像趋于不同值的序列。经典的病态例子是 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
两个收敛到 0 的输入序列产生不同的输出极限——所以不存在单一的 L 能成立。