第一章 函数 极限 连续
一.求极限方法小结
极限是整个微积分的基础,要理解微积分,首先要很好地理解极限的概念.
有多种求极限的方法,究竟该用哪种方法求极限,关键是要判断极限属于哪一种类型.
1. 知识要点
(1)利用极限的定义求极限. (2)利用极限运算法则求极限. (3)利用不等式求极限. (4)利用变量代换法求极限. (5)利用两个重要极限求极限. (6)利用单调有界准则求极限. (7)利用函数的连续性求极限. (8)利用等价无穷小代换求极限. (9)利用单侧极限求极限.
(10) 利用罗必达法则求极限. (11) 利用导数定义求极限. (12) 利用定积分定义求极限. (13)
利用Taylor 公式求极限.
2.典型例子
例1:设 ,1
2,,12,21121n
n x x x x x +=+
==+ 求证:n n x ∞→lim 存在,并求其值.
)21(+答案:
例2:求???? ??++++++∞→n n n n n 2221
211
1lim (答案:1) 例3:求???
?
?
?
?++++++∞→n n n n n n 1212)1(1
)1(111lim (答案:1) 例4:求
n
n n 2642)
12(531lim
??-??∞→ (答案:0)
例5:求 ??
?
??
???? ??+-∞
→x x x x 11ln lim 2
(答案:21)
例6:x
x x cos lim 0
+
→ (答案:2
1
-
e )
例7:求常数c ,使dt te c x c x c
t
x
x ?∞
-∞→=??? ??-+2lim (25=c ) 例8:已知 ,1
1,,11,11111
21++=++
==--n n n x x x x x x x ,证明数列}{n x 收敛,并求出此数列的极限. ??
?
?
??+251 例9:设)0(3)
1(3,010≥++=
>+n x x x x n
n n ,求n n x ∞→lim (答案:3)
例10:求 1
tan 1tan 1lim
---+→x
x e x
x (答案:1) 例11:求 x
x x x x x x cos sec )
1ln()1ln(lim 220-+-+++→ (答案:1)
例12: ????
??????+++→x x e e x x x sin 12lim 410 (答案:1) 例13:设x x x g tdt x f x 670
2
sin )(,tan
)(2
+==?,证明:当0→x 时,)(x f 与)(x g 是
同阶无穷小量.
例14:??
?
??-→x x x 220cot 1lim (答案:32) 例15:求 ?????
?
??????++++++∞→n n n n n n n 1sin 212sin 1sin lim πππ (答案:π2) 例16:求 ?????
???????+++++++++∞→n n n n n n n n n n n n n 222sin 22sin 211sin 1lim (答案:1cos 1sin -) 例17:设)(x f 在原点的邻域内二次可导,且0)(3sin lim 230=???
??+→x x f x
x x ,求
)0("),0('),0(f f f 及??? ?
?+→220)(3
lim x x f x x (答案:29,9,0,3-)
例18:设)(x f 在0=x 的某邻域内具有二阶导数,且3
10
)(1lim e x x f x x
x =??
? ??+
+→,求)0(''),0('),0(f f f 及x
x x x f 1
0)(1lim ??? ??
+→.(答案:4)0('',0)0(',0)0(===f f f ,
21
0)(1lim e x x f x
x =??? ?
?
+→) 例19:设}{n a ,}{n b ,}{n c 均为非负数列,且0lim =∞
→n n a ,1lim =∞
→n n b ,∞=∞
→n n c lim ,
则必有
)(A n n b a <对任意n 成立; )(B n n c b <对任意n 成立; )(C 极限n n n c a ∞
→lim 不存在; )(D 极限n n n c b ∞
→lim 不存在.
(2003年数学一)
例20:已知011ln
arctan 2lim
≠=-+-→c x x x
x p
x ,求c p , (答案:3
4,3-==c p )
例21:设函数)(x f 在0=x 的某邻域内具有二阶连续导数,且0)0(≠f ,0)0('≠f ,
0)0(''≠f .证明:存在惟一的一组实数321,,λλλ,使得当0→λ时,
)0)3()2()(321f h f h f h f -++λλλ是比2h 高阶的无穷小.
例22:求极限???
? ??+-++→)1ln(1)1ln(1lim
20x x x x (答案:21-) 例23:已知当0→x 时?
-2
2
2
cos x dt t x 与k
Ax 是等价无穷小,求常数A 和k .(答案:
10,10
1
==
k A ) 例24:设函数)(x f 在),(+∞-∞内单调有界,}{n x 为数列,下列命题正确的是
)(A 若}{n x 收敛,则)}({n x f 收敛. )(B 若}{n x 单调,则)}({n x f 收敛. )(C 若)}({n x f 收敛, 则}{n x 收敛. )(D )}({n x f 若单调,则}{n x 收敛.
(答案:B) (2008年数学一)
例25:求极限 4
0sin )]sin(sin [sin lim x x x x x -→ (答案:61
)(2008年数学一)
例26:(I)证明:对任意的正整数n ,都有
n
n n 1)11ln(11<+<+ (II)设),2,1(1
211 =+++=n n
a n ,证明数列}{n a 收敛.
(2011年数学一、二)
二.函数的连续性 1.知识要点
1.函数在一点的连续性:)(x f 在点0x 处连续0lim 0
=??→?y x
)(x f 在点0x 处连续)()(lim 00
x f x f x x =?→
2.连续函数的运算 3.初等函数的连续性:
基本初等函数在定义区间内是连续的; 初等函数在定义区间内是连续的 4.函数的间断点和间断点的分类
5.闭区间上连续函数的性质:最值定理、介值定理
2.典型例子
例1:求函数00,
11sin )1ln(,sin )(23≥??
????-++-=x x x x x x
x x f π 的间断点,并指出其类型. 例2:讨论函数)0()
ln(lim
)(>+=∞→x n
x e x f n n n 在定义域内是否连续. 例3:设00,,)()(20=≠???
????=?x x c x dt t tf x F x
其中)(x f 具有连续导数且0)0(=f ,试确定c 的值使)(x F 连续,并讨论)('x F 是否连续. (答案:0=c )
例4:设)(x f 在),(b a 内连续,),,2,1(0),,(n i t b a x i i =>∈,且11
=∑=n
i i
t
,试证明
至少存在一点),(b a ∈ξ,使)()()()(2211n n x f t x f t x f t f +++= ξ.
例5:设)(x f 在]1,0[上连续,且)1()0(f f =,证明(1)存在)1,0(∈ξ,使
)()21(ξξf f =+;(2)存在]1,0[∈ξ,使N n f n
f ∈=+),()1(ξξ.
例6:设函数)(x f 在]3,0[上连续,在)3,0(内可导,且3)2()1()0(=++f f f ,
.1)3(=f 试证必存在)3,0(∈ξ,使.0)('=ξf (2003年数学三)
例7:设函数 ????
????
?
>--+=<-+=0,4sin 1
0,60,arcsin )1ln()(23x x x ax x e x x x
x ax x f ax 问a 为何值时,)(x f 在0=x 处连续;问a 为何值时,0=x 是)(x f 的可去间断点?(2003年数学二)
例8:设
)1,2
1[,)1(1sin 11)(∈--+=
x x x x x f πππ 试补充定义)1(f 使得)(x f 在]1,2
1
[上连续。(答案:π
1
)1(=
f ) (2003年数学三)
例9:函数2
)
2)(1()2sin()(---=
x x x x x x f 在下列哪个区间内有界.
(A ))0,1(- (B ))1,0( (C ))2,1( (D ))3,2( (2004年数学三)
例10:设)(x f 在),(+∞-∞内有定义,且,)(lim a x f x =∞
→
00
,
0),
1()(=≠?????=x x x f x g 则
(A )0=x 必是)(x g 的第一类间断点. (B )0=x 必是)(x g 的第二类间断点. (C )0=x 必是)(x g 的连续点.
(D ))(x g 在0=x 处的连续性与a 的取值有关.
例11:设)(x f 在),(+∞-∞连续,且x x f f =)]([,证明:),(+∞-∞∈?ξ,使得
ξξ=)(f .
第二章 一元函数微分学
一.导数与微分 1.知识要点
1.导数的定义:导数反映了客观运动过程的瞬时变化率 x y
x f x ??=→?00lim
)('x
x f x x f x ?-?+=→?)()(l i m 000
)('0x f 0
0)
()(lim
x x x f x f x x --=→
2.导数的物理意义、几何意义:分别表示变速直线运动的瞬时速度、曲线的切线的斜率. 曲线)(x f y =在点))(,(00x f x 处的切线方程为:
))((')(000x x x f x f y -=-
法线方程为:)()
('1
)(000x x x f x f y --
=- 3.在经济学中,)(x f 的边际函数是指)(x f 关于自变量x 的变化率)('x f 。例如)('x C 表示边际成本函数,)('x R 表示边际收入函数,)('x L 表示边际利润函数. 4.函数可导与连续的关系:如果函数)(x f 在点0x 可导,则)(x f 在点0x 处连续。但是,连续却不一定可导.
5.求导法则:导数的四则运算法则、复合函数的求导法则、反函数的求导法则、隐函数的求导法则、参数方程的求导法则. 6.微分的定义与运算法则.
2.典型例子
例1:求函数00,
0,)(21=≠?????=-x x e x f x
的一、二阶导数并讨论其连续性.
例2:设00
,
0,1sin )(≤>?????=x x x
x x f k
(k 为实数),问k 在什么范围内)(x f (1)连续;(2)可导;(3)导数连续;(4)二阶可导.
例3:设f 是可导函数,对于任意实数t s ,有 st t f s f t s f 2)()()(++=+,且
a f =)0(',求函数)(x f 的表达式.
例4:求x x x x x f ---=3
2)2()(的不可导点的个数.(答案:2)
例5:设0)0(=f ,则)(x f 在点0=x 可导的充分必要条件是
(A )cosh)1(1lim
20-→f h h 存在;(B ))1(1
lim 0h h e f h
-→存在. (C )sinh)(1lim 20-→h f h h 存在.(D ))]()2([1
lim 0h f h f h
h -→存在.
例6:设)(x y y =是由方程1=+y e xy 所确定的隐函数,求)0(''y . (答案:0)
例7:设??
?-==)
()(')('t f t tf y t f x 且)(t f 二次可微,0)(''≠t f ,求2
2,dx y d dx dy . (答案:)
(''1
,
t f t ) 例8:设函数)(x f y =的导数)('x f 与二阶导数)(''x f 均存在,并且均不为零,其反函数为)(y x ?=,求)(''y ?. (答案:3
)]
('[)
(''x f x f -
) 例9:作已知曲线035422
2=+--++y x y xy x 的切线,使其平行于直线
032=+y x ,使求此切线方程. (答案:0232=-+y x )
例10:已知曲线的极坐标方程是θcos 1-=r ,求该曲线上对应于6
π
θ=
的切线与法
线的直线方程.(答案:045433.=+-
-y x ,04
1
43.=+-+y x ) 例11:设)('x f 在],[b a 上连续,且0)(',0)('<>b f a f ,则下列结论中错误的是 (A )至少存在一点),(0b a x ∈,使得)()(0a f x f >; (B )至少存在一点),(0b a x ∈,使得)()(0b f x f >; (C )至少存在一点),(0b a x ∈,使得0)('0=x f ; (D )至少存在一点),(0b a x ∈,使得0)(0=x f . (答案:(D )) (2004年数学三)
例12:以下命题中,正确的是
(A )若)('x f 在)1,0(内连续,则)(x f 在)1,0(内有界. (B )若)(x f 在)1,0(内连续,则)(x f 在)1,0(内有界. (C )若)('x f 在)1,0(内有界,则)(x f 在)1,0(内有界. (D )若)(x f 在)1,0(内有界,则)('x f 在)1,0(内有界. (答案:(C )) (2005年数学三)
二.微分中值定理
1.知识要点
微分中值定理具有相同的几何背景:在一条连续光滑的曲线上,至少存在一点,使曲线在该点的切线平行于对应的弦.
1.Rolle 定理:设)(x f 在闭区间],[b a 上连续,在),(b a 内可导,且)()(b f a f =,则存在),(b a ∈ξ,使得0)('=ξf ,即方程0)('=x f 在),(b a 内至少存在一个实根.
Rolle 定理提供了证明方程根的存在性的另一种有效的方法.
2.Lagrange 中值定理:设)(x f 内可导在闭区间],[b a 上连续,在),(b a 内可导,则存在),(b a ∈ξ,使得
a
b a f b f f --=
)
()()('ξ 即 )(')()(ξf a f b f =-
Lagrange 中值定理将函数和导数联系在一起了.
3.Cauchy 中值定理:设函数)(x f 与)(x g 满足:在闭区间],[b a 上连续,在),(b a 内可导,0)('≠x g .则存在),(b a ∈ξ,使得
)
(')
(')()()()(ξξg f a g b g a f b f =--
很明显,Rolle 定理是Lagrange 中值定理的一种特殊情况,而Lagrange 中值是
Cauchy 中值定理的一种特殊情况.
4.带Peano 余项的Taylor 公式:设)(x f 在点0x 的n 阶导数存在,则
]
)[()(!
)()(!2)(''))((')()(000)(2
00000n n n x x o x x n x f x x x f x x x f x f x f -+-++-+-+= 带L a g r a n g 余项的T a y l o r 公式:设)(x f 在点0x 的某邻域),(0δx O 内具有1+n 阶导数,则∈?x ),(0δx O ,有
1
0)1(00)(200000)()!
1()()(!)()(!2)(''))((')()(++-++-++-+-+=n n n
n x x n f x x n x f x x x f x x x f x f x f ξ 其中),(0δξx O ∈
Taylor 公式将函数和高阶导数连续在一起了. Taylor 公式的基本思想是利用多项式逼近函数.
2.典型例子
例1:如果 n a a a ,,,10 为满足01
322
10=+++++
n a a a a n 的实数,证明方程 02210=++++n n x a x a x a a 在)1,0(内至少有一个实根.
例2:设)(x f 在]1,0[上连续,在)1,0(内可导,且0)1()0(==f f ,1)2
1
(=f ,试证: (1)存在)1,2
1(∈η,使ηη=)(f ;
(2)对任意实数λ,必存在),0(ηξ∈,使1])([)('=--ξξλξf f
例3:设)(x f 在)0](,[>a b a 上连续,在),(b a 内可导,且1)()(==b f a f ,证明:
存在),(,b a ∈ηξ,使得 )(')(1
ξξ
ξξηf n
f n +
=?
??
?
??-
例4:设)('),(x f x f 在],[b a 上可导,且0)()(==b f a f ,0)(')('>b f a f ,求证:存在),(,b a ∈ηξ使得ηξ≠,0)(')('==ηξf f .
例5:设)(x f 在],[b a 上连续,在),(b a 内二阶可微,0)()(==b f a f ,
)),((0)(''b a x x f ∈?<,求证:)),((0)(b a x x f ∈?>.
例6:设)(x f 在]1,0[上可导,且0)0(=f ,1)1(=f ,证明在]1,0[上存在两点21,x x ,
使
2)
('1
)('121=+x f x f . 例7:设)(x f 在]1,1[-上具有三阶连续导数,且0)1(=-f 1)1(=f ,0)0('=f ,证明:在)1,1(-上至少存在一点ξ,使3)('''=ξf .
例8:设)(x f 在]1,0[上存在二阶导数,且0)1()0(==f f ,1)(min ]
1,0[-=∈x f x ,证明:
存在)1,0(∈ξ,使8)(''≥ξf .
例9:证明:)0)(1ln(
3arctan 2>?+ 三.导数的应用 1.知识要点 利用导数和中值定理,我们可以研究函数的单调性、极值、最值、凹凸性与拐点,可以证明不等式、可以研究方程实根的个数等等. 2.典型例子 例1:设)1,0(∈x ,证明: 2 11)1ln(112ln 1<-+<-x x 例2:求证:)0(111 >>? ? ? ??++x e x x 例3:对任意实数x ,证明不等式221)1ln(1x x x x +≥+++ 例4: 设)(x f 的导数在a x =处连续,又1) ('lim -=-→a x x f a x ,则 (A )a x =是)(x f 的极小值点.(B )a x =是)(x f 的极大值点. )(C ))(,(a f a 是曲线)(x f y =的拐点. )(D a x =不是)(x f 的极值点,))(,(a f a 也不是曲线)(x f y =的拐点. 例5:已知)(x f 在点0x 的某邻域内有定义,且有k x x x f x f n x x =--→) () ()(lim 000 ,其中n 为正整数,0≠k ,讨论)(x f 在点0x 处是否有极值. 例6:设函数)(x f 对于一切实数x 满足微分方程 x e x f x x xf --=+1)]('[3)(''2 (1)若)(x f 在c x =(0≠c )有极值,证明它是极小值; (2)若)(x f 在0=x 有极值,则它是极大值还是极小值? 例7:设)()1()(是自然数n x nx x f n -=,求证: (1)1 ]10[1)(max +∈? ? ? ??+≤n x n n x f , (2)e x f x 1 )(max ] 10[< ∈, 例8:设)(x f 在),(+∞-∞内有定义,)(''),('x f x f 存在,且满足 0)()()(')(''=-+x f x g x f x f 如果)(0)()(b a b f a f <==,求证:)),((0)(b a x x f ∈?≡. 例9:求方程0sec 2 =-x e x 在区间)2 , 0(π 内的实根的个数. 例10: 讨论方程 122 +=x x 的实根的个数. 例11: 设x x x x x f n n n ++++=-21)( ,求证:(1)对任意自然数1>n ,方程 1)(=x f n 在??? ??1,21内只有一个根; (2)设∈n x ?? ? ??1,21是1)(=x f n 的根,则21lim =∞→n n x . 例12:设在),(+∞-∞上,0)(''>x f ,而0)0(=f ,证明: ??? ??=) 0(')()(f x x f x g 00=≠x x 在),(+∞-∞上单调增加. 例13:设函数)(x f 在],0[π上连续,且 0cos )(,0)(0 ==??π πxdx x f dx x f ,试证:在 ),0(π内至少存在两个不同的点21,ξξ,使0)()(21==ξξf f . 例14:讨论曲线k x y +=ln 4与x x y 4ln 4+=的交点个数.(2003年数学二) 例15:求方程0arctan =-x x k 不同实根的个数,其中k 为参数. (2011年数学一) 第三章 一元函数积分学 一.不定积分 例1:设2 ln )1(22 2 -=-x x x f ,且x x f ln )]([=?,求?dx x )(?.(答案: C x x +-+1ln 2) 例2:已知 x x s i n 是)(x f 的一个原函数,求?dx x f x )('3.(答案: C x x x x x +--cos 6sin 4cos 2) 例3:设???>≤=0 ,sin ,)(2x x x x x f ,求?dx x f )(. 例4:设)(x F 是)(x f 的一个原函数,π4 2 )1(= F ,若当0>x 时,有) 1(a r c t a n )()(x x x x F x f += ,求)(x f .(答案:) 1(21)(x x x f += ) 例5:求? dx x x )1,,max(2 3 例6:求?dx e e x x 2arctan 二.定积分 例1:求极限??? ? ?+++++∞→n n n n 212111lim 例 2:设)(x f 在]1,0[上连续,且 )(1 =?dx x f ,试证明存在 0)1()()1,0(=-+∈ξξξf f 使. 例3:已知)0()1ln()(1 >+= ?x dt t t x f x ,求??? ??+x f x f 1)(.(答案:x 2ln 21) 例4:设函数)(x f 连续,且,arctan 21 )2(20 x dt t x tf x =-?已知1)1(=f ,求?2 1)(dx x f 的 值.(答案: 4 3 ) 例5:已知22110,1,ln ,sin )(>≤<≤≤?? ? ??=x x x x x x x f 求?=x dt t f x I 0)()(. 例6:求积分?≥-= x x dt t x g t f x I 0 )0()()()(,其中当0≥x 时x x f =)(,而 ?? ?? ? ≥ <≤=220,0,sin )(π πx x x x g 例7:设)(x f 在],[b a 上连续,且0)(>x f ,证明 ? b a dx x f )(2)() (1 a b dx x f b a -≥? 例8:设)('x f 在]1,0[上连续,求证 ? ??? ?? ? ??≤1 1 010)(,)('max )(dx x f dx x f dx x f 例9:设)(x f 在]1,0[上连续,且0)(≥x f ,0)1(=f ,求证: 存在?= ∈ξ ξξ0 )()()1,0(dx x f f 使 例10:设)(x f 是在),(+∞-∞内的周期函数,周期为T ,并满足 )),,(,()()()1(为常数其中L y x y x L y f x f +∞-∞∈?-≤-; 0)()2(0 =?T dx x f 求证:LT x f T x 2 1 )(max ] ,0[≤ ∈ 例11:设函数)(x f 在],[b a 上具有连续的二阶导数,证明在),(b a 内存在一点ξ,使得 )('')(24 12)()(3 ξf a b b a f a b dx x f b a -+??? ??+-=? 例12:设函数)(),(x g x f 在区间)0](,[>-a a a 上连续,)(x g 为偶函数,且)(x f 满 足)()()(为常数A A x f x f =-+,(1)证明 ??-=a a a dx x g A dx x g x f 0 )()()(; (2)利用(1)的结论计算 ?- 2 2 arctan sin π π dx e x x 例13:计算定积分:?--+44 21sin π π dx e x x (答案:)2(81 -π) 例14:计算定积分:? π )arctan(cos dx x 例15:试证连续函数)(x f 是周期函数的充分必要条件是:存在0>T ,使对一切的x , 有 =?+T x x dt t f )(?T dt t f 0 )( 例16:计算定积分: ? -π n dx x 0 2sin 1(答案:n 22) 例17:)(x f 是以T 为周期的连续函数,证明:?=x x dt t f x F 0 )()(或是以T 为周期的周 期函数,或是线性函数与周期函数的和. 例18:计算? = 1 )(dx x x f I ,其中?-= x t dt e x f 1 2 )( 例19:设)(),(x g x f 在],[b a 上连续,且满足 ),[,)()(b a x dt t g dt t f x a x a ∈≥?? ??=b a b a dt t g dt t f )()( 证明: ??≤b a b a dx x xg dx x xf )()( (2004年数学三) 例20:设)(),(x g x f 在]1,0[上的导数连续,且0)('0)(',0)0(≥≥=x g x f f ,.证明: 对任何]1,0[∈a ,有 ?+a dx x f x g 0 )(')(?≥1 )1()()(')(g a f dx x g x f 例21:设)(x f 在],[b a 上一阶可导,M x f ≤)(',且 0)(=?b a dx x f .证明:当] ,[b a x ∈时, M a b dt t f x a 2)(8 1 )(-≤? 例22:设)(x f 是区间),0[+∞上单调减少且非负的连续函数, ),3,2,1()()(1 1 =-=?∑=n dx x f k f a n n k n ,证明数列}{n a 的极限存在. 例23:设)(x f 在]1,0[上连续,对任意的y x ,都有y x M y f x f -≤-)()(,证明 n M n k f n dx x f n k 2)(1)(1 1≤-? ∑= 例24:设)(x f 在],[b a 上连续,且0)(>x f ,证明: ??-≥?? ????-b a b a dx x f a b dx x f a b )(ln 1 )(1ln 例25:设)(x F 是连续函数)(x f 的一个原函数,“N M ?” 表示 “N M 的充分必要条件是”,则必有 (A ))(x F 是偶函数)(x f ?是奇函数. (B ))(x F 是奇函数)(x f ?是偶函数. (C ))(x F 是周期函数)(x f ?是周期函数. (D ))(x F 是单调函数)(x f ?是单调函数. (答案:(A )) (2005年数学一) 例25:设)(x f 是连续函数 (Ⅰ)利用定义证明函数?= x dt t f x F 0 )()(可导,且)()('x f x F = (Ⅱ)当)(x f 是以2为周期的周期函数时,证明函数? ?-=2 )()(2)(dt t f x dt t f x G x 也 是以2为周期的周期函数. (2008年数学一) 例26:求函数 ?--=2 2 1 2)()(x t dt e t x x f 的单调区间与极值. (2010年数学一) 三.广义积分 例1:求 dx x x ?+∞ +03) 1( 例2:求dx e xe x x ?+∞ --+02)1( 例3:求 dx x x ?+∞ 2arctan 例4:求x dt t x x ?+∞ →0 sin lim (答案: π 2 ) 四.定积分的应用 例1:求由)0(122 22>>=+b a b y a x 与x y =围成的图形面积(两部分都要计算).(答 案:,arctan b a ab ),arctan (b a a b -π) 例2:过点)0,1(P 作抛物线2-=x y 的切线,该切线与上述抛物线及x 轴围成一平 面图形,求此图形绕x 轴旋转所成旋转体的体积. 例3:设直线ax y =与抛物线2 x y =所围成的图形面积为1S ,它们与直线1=x 所围成