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Calculus

1-极限与连续

2019-09-19Original-language archivelegacy assets may be incomplete

基本概念

  • 上界(下界):MR,xE,xM\exists M\in\mathbb{R},\forall x\in E,x\leq M
    • supE(infE)\sup E(\inf E): 上界中最小值
    • 无上界:supE=+\sup E=+\infty
  • max(min)\max(\min)x0E,xE,x0xx_0\in E,\forall x\in E,x_0\geq x
  • xxδ\delta-邻域:U(x;δ)=(xδ,x+δ)U(x;\delta)=(x-\delta,x+\delta)
  • xxδ\delta-去心邻域:Uˇ(x;δ)\{x}\check{U}(x;\delta)\backslash\{x\}
  • 聚点:ER,xR,δ>0,Uˇ(x;δ)EE\subseteq\mathbb{R},x\in\mathbb{R},\forall\delta>0,\check{U}(x;\delta)\cap E\not=\emptyset
  • 孤立点:ER,x0E,x0E\subseteq\mathbb{R},x_0\in E,x_0EE 的聚点
    • EE 中点为聚点或孤立点
  • 内点:ER,x0R,δ>0,U(x0;δ)EE\subseteq\mathbb{R},x_0\in\mathbb{R},\exists\delta>0,U(x_0;\delta)\subseteq E
  • 开集:ERE\subseteq\mathbb{R}, EE 的点皆为 EE 的内点
  • 凸性:xI,yI\forall x\in I,\forall y\in I, 连接xxyy的线段含于 II
  • 闭集:R\E\mathbb{R}\backslash E 为开集
    • 有上界的非空闭子集有最大值
  • 紧集:有界闭集(紧性)
    • ff 为连续函数,Df\mathfrak{D}_f 为有界闭集,Rf\mathfrak{R}_f 为有界闭集
  • 映射:f:XYf:X\rightarrow Y
    • 定义域:Df=X\mathfrak{D}_f=X
    • 上域:YY
    • 值域(象):R=f(X)\mathfrak{R}=f(X)
    • 复合 gfg\circ f
    • 限制 fX1f|_{X_1}
    • 延拓
  • 函数 f:ERf:E\rightarrow \mathbb{R}
    • 图:Gf={(x,f(x))xE}\mathcal{G}_f=\{(x,f(x))|x\in E\}
    • 基本初等函数
      • 常函数
      • 指数函数
      • 对数函数
      • 三角函数
      • 反三角函数
    • 初等函数:由基本初等函数出发,有限次四则运算和复合得到
      • xa=ealnxx^a=e^{a\ln x}
  • 极值:x0D,δ>0,xU(x0;δ)D,f(x)f(x0)(f(x)f(x0)x_0\in\mathfrak{D},\exists\delta>0,\forall x\in U(x_0;\delta)\cap\mathfrak{D},f(x)\leq f(x_0)(f(x)\geq f(x_0)
  • 临界点:x0x_0 为内点且 f(x0)=0f'(x_0)=0
  • 单调性
  • 凸函数:x1I,x2I,λ[0,1]\forall x_1\in I,\forall x_2\in I,\forall\lambda\in[0,1]f(λx1+(1λ)x2)λf(x1)+(1λ)f(x2)f(\lambda x_1+(1-\lambda)x_2)\leq\lambda f(x_1)+(1-\lambda)f(x_2)
    • ff'
  • Euler 公式:ex+iθ=ex(cosθ+isinθ)e^{x+i\theta}=e^x(\cos\theta+i\sin\theta)
  • limn+(1+1n)n=limx0(1+x)1xe\lim_{n\rightarrow+\infty}(1+\frac{1}{n})^n=\lim_{x\rightarrow 0}(1+x)^{\frac{1}{x}}e
  • Stirling 公式:n!2πnn+12enn!\sim \sqrt{2\pi}n^{n+\frac{1}{2}}e^{-n}
反三角函数 Df\mathfrak{D}_f Rf\mathfrak{R}_f 导数
arcsin\arcsin [1,1][-1,1] [π2,π2][-\frac{\pi}{2},\frac{\pi}{2}] 11x2\frac{1}{\sqrt{1-x^2}}
arccos\arccos [1,1][-1,1] [0,π][0,\pi] 11x2-\frac{1}{\sqrt{1-x^2}}
arctan\arctan R\mathbb{R} (π2,π2)(\frac{\pi}{2},\frac{\pi}{2}) 11+x2\frac{1}{1+x^2}

定理

  • 确界定理:非空有上界集合有上确界
  • 单调有界定理:{xn}\{x_n\} 单调增数列且有上界,则其收敛于上确界
  • Cauchy 准则:{ak}\{a_k\} 收敛     ϵ>0,N,m>N,n>N,aman<ϵ\iff\forall\epsilon>0,\exists N,\forall m>N,\forall n>N,|a_m-a_n|<\epsilon
  • Heine 定理:limxx0f(x)=A    {xn}Df\{x0}\lim_{x\rightarrow x_0}f(x)=A\iff\forall\{x_n\}\subseteq\mathfrak{D}_f\backslash\{x_0\} s.t. limx+xn=x0\lim_{x\rightarrow +\infty}x_n=x_0limn+f(xn)=A\lim_{n\rightarrow+\infty}f(x_n)=A
  • Cauchy 准则:limxx0f(x)=A    ϵ>0,δ>0,x1Uˇ(x0;δ)Df,x2Uˇ(x0;δ)Df\lim_{x\rightarrow x_0}f(x)=A\iff\forall\epsilon>0,\exists\delta>0,\forall x_1\in\check{U}(x_0;\delta)\cap\mathfrak{D}_f,\forall x_2\in\check{U}(x_0;\delta)\cap\mathfrak{D}_ff(x1)f(x2)<ϵ|f(x_1)-f(x_2)|<\epsilon
  • 单调有界定理:f(x)f(x) 单调增有上界,limx+f(x)=supf\lim_{x\rightarrow+\infty}f(x)=\sup f
  • 实数稠密性:VVR\mathbb{R} 的非空开子集,则 VV 中含有无限个有理数与无限个无理数
  • 介值定理:ff 为连续函数,Df\mathfrak{D}_f 为区间或单电集,ARf,BRf,CA\in\mathfrak{R}_f,B\in\mathfrak{R}_f,C 在两者间,则 ξD,f(ξ)=C\exists\xi\in\mathfrak{D},f(\xi)=C
  • 路连通性:ff 为连续函数,Dk\mathfrak{D}_k 为区间为单点集,则Rf\mathfrak{R}_f 为区间或单点集
  • Fermat 定理:x0x_0 为极值点且为内点,ffx0x_0 处可导,则 x0x_0 为临界点

极限

  • limn+xn=A\lim_{n\rightarrow+\infty} x_n=A: {xn},AR,ϵ>0,NR,n>N\{x_n\},A\in\mathbb{R},\forall\epsilon>0,\exists N\in\mathbb{R},\forall n>NxnA<ϵ|x_n-A|<\epsilon
    • {xn}\{x_n\} 收敛
    • 唯一性
    • 有界性:{xn}\{x_n\} 收敛则 MR,xnM\exists M\in\mathbb{R},|x_n|\leq M
    • 保序性:limn+xn=A>B\lim_{n\rightarrow+\infty} x_n=A>BN,n>N,xn>B\exists N,\forall n>N,x_n>B
    • 迫敛性:xnynzn,limn+xn=limn+zn=Ax_n\leq y_n\leq z_n,\lim_{n\rightarrow+\infty} x_n=\lim_{n\rightarrow+\infty} z_n=A, 则 limn+yn=A\lim_{n\rightarrow+\infty} y_n=A
    • 四则运算
    • 子列收敛于相同极限
  • limn+xn=+\lim_{n\rightarrow+\infty} x_n=+\infty: {xn},MR,ϵ>0,NR,n>N\{x_n\},\forall M\in\mathbb{R},\forall\epsilon>0,\exists N\in\mathbb{R},\forall n>NxnMx_n\geq M
    • {xn}\{x_n\} 无穷极限
  • limxx0f(x)=A\lim_{x\rightarrow x_0}f(x)=A: x0x_0Df\mathfrak{D}_f 聚点,AR,ϵ>0,δ>0,xUˇ(x0;δ)DfA\in\mathbb{R},\forall\epsilon>0,\exists\delta>0,\forall x\in\check{U}(x_0;\delta)\cap\mathfrak{D}_ff(x)A<ϵ|f(x)-A|<\epsilon
    • 唯一性
    • 局部性:limxx0f(x)=A    limxx0fU(x0;δ)Df(x)=A\lim_{x\rightarrow x_0}f(x)=A\iff\lim_{x\rightarrow x_0}f|_{U(x_0;\delta)\cap\mathfrak{D}_f}(x)=A
    • 局部有界性
    • 局部保序性
    • 迫敛性
    • 变量代换
  • limx+f(x)=A\lim_{x\rightarrow+\infty}f(x)=A: xDf[N,+],AR,ϵ>0,δ>0,NR,xDf[N,+]\forall x\in\mathfrak{D}_f\cap[N,+\infty]\not=\emptyset,A\in\mathbb{R},\forall\epsilon>0,\exists\delta>0,\exists N\in\mathbb{R},\forall x\in\mathfrak{D}_f\cap[N,+\infty]f(x)A<ϵ|f(x)-A|<\epsilon
  • limxx0f(x)=+\lim_{x\rightarrow x_0}f(x)=+\infty: x0x_0 为聚点,MR,δ>0,xUˇ(x0;δ)Df\forall M\in\mathbb{R},\exists\delta>0,\forall x\in\check{U}(x_0;\delta)\cap\mathfrak{D}_ff(x)>Mf(x)>M
  • limxx0+f(x)=A\lim_{x\rightarrow x_0^+}f(x)=A: σ>0,(x0,x0+σ)Df,AR,ϵ>0,δ>0,x(x0,x0+δ)Df\forall\sigma>0,(x_0,x_0+\sigma)\cap\mathfrak{D}_f\not=\emptyset,A\in\mathbb{R},\forall\epsilon>0,\exists\delta>0,\forall x\in(x_0,x_0+\delta)\cap\mathfrak{D}_ff(x)A<ϵ|f(x)-A|<\epsilon
    • limxx0+f(x)=limxx0f(x)=A    limxx0f(x)=A\lim_{x\rightarrow x_0^+}f(x)=\lim_{x\rightarrow x_0^-}f(x)=A\iff\lim_{x\rightarrow x_0}f(x)=A
  • xx0x\rightarrow x_0 时,f(x)f(x) 为无穷小量:limxx0f(x)=0\lim_{x\rightarrow x_0}f(x)=0
  • xx0x\rightarrow x_0 时,f(x)f(x) 为无穷大量:limxx0f(x)=±\lim_{x\rightarrow x_0}f(x)=\pm\infty
  • f(x)=o(g(x)),(xx0)f(x)=o(g(x)),(x\rightarrow x_0)
    • f,gf,g 定义域相同,limxx0f(x)=limxx0g(x)=0,limxx0f(x)g(x)=0\lim_{x\rightarrow x_0}f(x)=\lim_{x\rightarrow x_0}g(x)=0,\lim_{x\rightarrow x_0}\frac{f(x)}{g(x)}=0,则 xx0x\rightarrow x_0 时,ffgg 的高阶无穷小,ggff 的低阶无穷小
  • f(x)=O(g(x)),(xx0)f(x)=O(g(x)),(x\rightarrow x_0)
    • f,gf,g 定义域相同,x0x_0 为定义域的聚点,MR,δ>0,xUˇ(x0;δ)Df\exists M\in\mathbb{R},\exists\delta>0,\forall x\in\check{U}(x_0;\delta)\cap\mathfrak{D}_ff(x)g(x)M|\frac{f(x)}{g(x)}|\leq M

连续

  • ffx0x_0 处连续:x0Df,ϵ>0,xU(x0;δ)Dfx_0\in\mathfrak{D}_f,\forall\epsilon>0,\exists x\in U(x_0;\delta)\cap\mathfrak{D}_ff(x)f(x0)<ϵ|f(x)-f(x_0)|<\epsilon
    • x0x_0 为连续点
    • 不连续,间断,不连续点
    • 孤立点处连续
    • 聚点连续     limxx0f(x)=f(x0)\iff \lim_{x\rightarrow x_0} f(x)=f(x_0)
    • 四则运算,复合
  • EE 上一致连续:ϵ>0,δ>0,x1E,x2E\forall\epsilon>0,\exists\delta>0,\forall x_1\in E,\forall x_2\in E s.t. x1x2<δ|x_1-x_2|<\deltaf(x1)f(x2)<E|f(x_1)-f(x_2)|<E
    • 一致连续则连续
    • ff 连续且 Df\mathfrak{D}_f 为有界闭集,则 ff 一致连续

线性几何

  • 内积:f,gL2[a,b]=abf(x)g(x)dx\langle f,g\rangle_{L^2[a,b]}=\int_a^bf(x)\overline{g(x)}dx
    • 共轭对称性
    • 共轭双线性
    • 非负性
  • 正交规范性:ei2nπx,ei2mπx=[n=m]\langle e^{i2n\pi x},e^{i2m\pi x}\rangle=[n=m]
    • 正交规范族:{ei2nπxnZ}\{e^{i2n\pi x}|n\in\mathbb{Z}\}
    • 线性无关性
  • X,YRn,X,Y=i=1nxiyiX,Y\in\mathbb{R}^n,\langle X,Y\rangle=\sum_{i=1}^nx_iy_i
    • 对称性
    • 双线性
    • 正定性
    • Cauchy-Schwarz 不等式:X,YXY|\langle X,Y\rangle|\leq\lVert X\rVert\cdot\lVert Y\rVert
  • 范数:X=X,X\lVert X\rVert=\sqrt{\langle X,X\rangle}
    • 正定性
    • 齐次性
    • 三角不等式
  • XYX\perp Y: X,Y=0\langle X,Y\rangle=0
    • 双线性,反交换律
    • a×b=a2b2a,b2\lVert a\times b\rVert=\sqrt{\lVert a\rVert^2\lVert b\rVert^2-\langle a,b\rangle^2}
a×b=(a2b2a3b3,a3b3a1b1,a1b1a2b2)Ta\times b =(|\begin{matrix} a_2 & b_2\newline a_3 & b_3 \end{matrix}|,|\begin{matrix} a_3 & b_3\newline a_1 & b_1 \end{matrix}|,|\begin{matrix} a_1 & b_1\newline a_2 & b_2 \end{matrix}|)^T
  • 直线:L:X(t)=P+tYL:X(t)=P+tY
  • 超平面
    • 点法式:QP,n=0\langle Q-P,\mathbf{n}\rangle=0
    • 一般式:knkxk+b=0\sum_kn_kx_k+b=0
    • 参数方程:Π:X(λ1,,λk1)=i=1k1λiXi+P\Pi:X(\lambda_1,\cdots,\lambda_{k-1})=\sum_{i=1}^{k-1}\lambda_iX_i+P
  • 曲线 γ:IRn\gamma:I\rightarrow\mathbb{R}^n
    • 参数方程:γ(t)=(γ1(t),,γn(t))T\gamma(t)=(\gamma_1(t),\cdots,\gamma_n(t))^T
    • 切向量:λγ(t0)\lambda\gamma'(t_0)
    • 切线:L:X(t)=γ(t0)+tγ(t0)L:X(t)=\gamma(t_0)+t\gamma'(t_0)
  • 超曲面:S:F(P)=0,FS:F(P)=0,F 为连续可微函数
  • 切超平面:Π={QRkQP,F(P)=0}\Pi=\{Q\in\mathbb{R}^k|\langle Q-P,\nabla F(P)\rangle=0\}

多元函数

  • 点列 {Pk}Rn\{P_k\}\subset\mathbb{R}^n
  • limk+Pk=P\lim_{k\rightarrow+\infty}P_k=Pϵ>0,NR,k>N,PkP<ϵ\forall \epsilon>0,\exists N\in\mathbb{R},\forall k>N,\lVert P_k-P\rVert<\epsilon
    • 唯一性
    • 点列收敛当且仅当所有坐标对应收敛
  • δ\delta-邻域:U(P;δ)={QRnd(P,Q)<δ}U(P;\delta)=\{Q\in\mathbb{R}^n|d(P,Q)<\delta\}
  • δ\delta-邻域去心:U^(P;δ)=U(P;δ)\{P}\hat U(P;\delta)=U(P;\delta)\backslash\{P\}
  • 聚点:δ>0,U^(P;δ)E\forall\delta>0,\hat U(P;\delta)\cap E\not=\emptyset
  • 孤立点:PEP\in EPP 非聚点
  • 内点:δ>0,U(P;δ)E\exists\delta>0,U(P;\delta)\subseteq E
  • 边界点:δ>0,U(P;,δ)E\forall\delta>0,U(P;,\delta)\cap E\not=\emptysetU(P;δ)(Rn\E)U(P;\delta)\cap(\mathbb{R}^n\backslash E)\not=\emptyset
  • 开集:EE 的点皆为 EE 的内点
  • 闭集:Rn\E\mathbb{R}^n\backslash E 为开集
  • limPP0f(P)=A\lim_{P\rightarrow P_0}f(P)=A: ϵ>0,δ>0,PU^(P0;δ)Df,f(P)A<ϵ\forall\epsilon>0,\exists\delta>0,\forall P\in\hat U(P_0;\delta)\cap D_f,|f(P)-A|<\epsilon
  • 连续:ϵ>0,δ>0,PU(P0;δ)Df,f(P)f(P0)<ϵ\forall\epsilon>0,\exists\delta>0,\forall P\in U(P_0;\delta)\cap D_f,|f(P)-f(P_0)|<\epsilon
    • ff 连续则关于自变量所有分量皆连续
  • 映射:f:ERmf:E\rightarrow\mathbb{R}^m
  • 连续:ϵ>0,δ>0,PU(P0;δ)Df,f(P)f(P0)<ϵ\forall\epsilon>0,\exists\delta>0,\forall P\in U(P_0;\delta)\cap D_f,|f(P)-f(P_0)|<\epsilon
  • 凸集:PE,QE,t[0,1],tP+(1t)QE\forall P\in E,\forall Q\in E,\forall t\in[0,1],tP+(1-t)Q\in E
  • 路连通集:PE,QE\forall P\in E,\forall Q\in E,有连续映射 γ:[0,1]E,γ(0)=P,γ(1)=Q\gamma:[0,1]\rightarrow E,\gamma(0)=P,\gamma(1)=Q
  • R1\mathbb{R}^1 中非空路连通集与凸集相同,为区间或单点集
  • 路连通性:ff 为连续映射,若DfD_f路连通,则RfR_f亦然
  • 介值定理
  • 紧性:ff 为连续映射,DfD_f 有界闭集,RfR_f 有界闭集
  • 最值定理:ff 为连续函数,DfD_f 有界闭集,则 ff 有最大值与最小值
  • 一致连续:ϵ>0,δ>0,P1E,P2E,P1P2<δ,f(P1)f(P2)<ϵ\forall\epsilon>0,\exists\delta>0,\forall P_1\in E,\forall P_2\in E,\lVert P_1-P_2\rVert<\delta,\lVert f(P_1)-f(P_2)\rVert<\epsilon
    • ff 为连续映射,且 DfD_f 有界闭集,则 ff 一致连续
  • 线性映射:A:RnRm,A(X)=AX\mathbf{A}:\mathbb{R}^n\rightarrow\mathbb{R}^m,\mathbf{A}(X)=AX
  • 仿射映射:L(X)=AX+b\mathbf{L}(X)=AX+b
    • L(Q)L(P)=A(QP)\mathbf{L}(Q)-\mathbf{L}(P)=A(Q-P)
    • L((P;X1,,Xk))=(L(P);AX1,,AXk))\mathbf{L}(\square(P;X_1,\cdots,X_k))=\square(\mathbf{L}(P);AX_1,\cdots,AX_k))