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高等数学
第六章 多元函数微分学
二元函数的极限
最后
更新:
2025-04-01 18:47
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二元函数的极限
## 二元函数的极限 我们先回顾一下,一元函数极限的定义. 设函数 $f(x)$ 在点 $a$ 的某一个去心邻域内有定义 (即点 $a$ 可以除外),若 $\forall \varepsilon>0 , \exists \delta>0$ ,当 $0<|x-a|<\delta$ 时,恒有 $|f(x)-A|<\varepsilon$ ,则 $\lim _{x \rightarrow a} f(x)=A$. 这里 $a$ 是数轴上的定点, $x$ 是数轴上的动点, $|x-a|$ 表示点 $x$ 与 $a$ 的距离. 而 $0<|x-a|<\delta$ 表示 $\{x \mid x \in(a-\delta, a) \cup(a, a+\delta)\}$. 类似地,可建立二元函数的极限. ## 二元函数的极限 **定义2** 设函数 $z=f(x, y)$ 的定义域为 $D , P_0\left(x_0, y_0\right)$ 是 $x O y$ 平面内的定点 (见图 6-7). 若存在常数 $A$ , $\forall \varepsilon>0 , \exists \delta>0$ ,当点 $P(x, y) \in D \cap \stackrel{o}{U}\left(P_0, \delta\right)$ 时,恒有 $$ |f(P)-A|=|f(x, y)-A|<\varepsilon , $$ 则称常数 $A$ 为函数 $f(x, y)$ 当 $(x, y) \rightarrow\left(x_0, y_0\right)$ 时的极限,记作 $$ \lim _{(x, y) \rightarrow\left(x_0, y_0\right)} f(x, y)=A \text { 或 } f(x, y) \rightarrow A ,(x, y) \rightarrow\left(x_0, y_0\right) \text {. } $$ 也可记作 $$ \lim _{P \rightarrow P_0} f(P)=A \text { 或 } f(P) \rightarrow A , P \rightarrow P_0 \text {. } $$  ## 例题 `例` 证明 $\lim _{(x, y) \rightarrow(0,0)} \frac{x^2 y}{x^2+y^2}=0$. 证 $\forall \varepsilon>0 ,$ 要使 $$ |f(x, y)-A|=\left|\frac{x^2 y}{x^2+y^2}\right| \leq\left|\frac{\left(x^2+y^2\right) \sqrt{x^2+y^2}}{x^2+y^2}\right|=\sqrt{x^2+y^2}<\varepsilon , $$ 取 $\delta=\varepsilon$ , 当 $0<\sqrt{(x-0)^2+(y-0)^2}<\delta$ 时,恒有 $|f(x, y)-A|<\varepsilon$ , 故 $\lim _{(x, y) \rightarrow(0,0)} \frac{x^2 y}{x^2+y^2}=0$. 下图显示了其图像。 {width=300px} 注 只有当 $P(x, y)$ 以任何的方式无限接近点 $P_0\left(x_0, y_0\right)$ 时,对应的函数值 $z=f(x, y)$ 无限的接近于确定的常数 $A$ ,才能说 $f(x, y)$ 有极限,或者说极限的存 在与自变量趋近的路径无关. 反之,如果点 $P(x, y)$ 沿着两条不同的路径趋于 $P_0\left(x_0, y_0\right)$ 时,函数值趋于不同 的常数,那么函数的极限肯定不存在. `例` 证明 $\lim _{\substack{x \rightarrow 0 \\ y \rightarrow 0}} \frac{x y}{x^2+y^2}$ 不存在. 证 取 $y=k x(k$ 为常数),则 $$ \lim _{\substack{x \rightarrow 0 \\ y \rightarrow 0}} \frac{x y}{x^2+y^2}=\lim _{\substack{x \rightarrow 0 \\ y=k x \rightarrow 0}} \frac{x \cdot k x}{x^2+(k x)^2}=\frac{k}{1+k^2} . $$ 易见函数极限的值随 $k$ 的变化而变化. 当 $k=0$ 时, 极限值为 0 ; 当 $k=1$ 时极限值为 $\frac{1}{2}$ , 故极限不存在. 其函数图像如下 {width=300px} 二元函数的极限与一元函数的极限具有相同的性质和运算法则,在此不再详 述. 为了区别于一元函数的极限,我们称二元函数的极限为二重极限. `例`求极限 $\lim _{\substack{x \rightarrow 0 \\ y \rightarrow 0}}\left(x^2+y^2\right) \sin \frac{1}{x^2+y^2}$. 解 令 $u=x^2+y^2$, 当 $x \rightarrow 0, y \rightarrow 0$ 时, $u \rightarrow 0$ , 则二元函数的二重积分就转化为一元函数的极限问题. $$ \lim _{\substack{x \rightarrow 0 \\ y \rightarrow 0}}\left(x^2+y^2\right) \sin \frac{1}{x^2+y^2}=\lim _{u \rightarrow 0} u \sin \frac{1}{u}=0 . $$ 这里利用了一元函数极限中,无穷小和有界量的乘积是无穷小的性质. `例` 求极限 $\lim _{(x, y) \rightarrow(0,0)} \frac{1-\cos \left(x^2+y^2\right)}{\left(x^2+y^2\right)^2}$. 解 $\lim _{(x, y) \rightarrow(0,0)} \frac{1-\cos \left(x^2+y^2\right)}{\left(x^2+y^2\right)^2}=\lim _{(x, y) \rightarrow(0,0)} \frac{\frac{1}{2}\left(x^2+y^2\right)^2}{\left(x^2+y^2\right)^2}=\frac{1}{2}$ 这里利用了一元函数极限中,等价无穷小替换的性质. > 注意:二元函数求极限逼近时,必须是沿着任意路径逼近,极限值一样。 `例` (2024年数二考研真题)已知函数 $f(x, y)=\left\{\begin{array}{ll}\left(x^2+y^2\right) \sin \frac{1}{x y}, & x y \neq 0, \\ 0, & x y=0\end{array}\right.$ ,则在点 $(0,0)$ 处 A. $\frac{\partial f(x, y)}{\partial x}$ 连续, $f(x, y)$ 可微 B. $\frac{\partial f(x, y)}{\partial x}$ 连续, $f(x, y)$ 不可微 C. $\frac{\partial f(x, y)}{\partial x}$ 不连续, $f(x, y)$ 可微 D. $\frac{\partial f(x, y)}{\partial x}$ 不连续, $f(x, y)$ 不可微 解:由偏导数的定义,在点 $(0,0)$ 处有 $$ \lim _{x \rightarrow 0} \frac{f(x, 0)-f(0,0)}{x}=\lim _{x \rightarrow 0} \frac{0-0}{x}=0=f_x^{\prime}(0,0) $$ ,根据结构对称性可知 $f_y^{\prime}(0,0)=0$. 于是基于夹逼准则,可得 $$ \begin{aligned} & \lim _{(x, y) \rightarrow(0,0)} \frac{f(x, y)-f(0,0)-f_x^{\prime}(0,0) x-f_y^{\prime}(0,0) y}{\sqrt{x^2+y^2}} \\ = & \lim _{(x, y) \rightarrow(0,0)} \sqrt{x^2+y^2} \sin \frac{1}{x y}=0 \end{aligned} $$ 即函数 $f(x, y)$ 在点 $(0,0)$ 处可微. 又当 $x y \neq 0$ 时,有 $$ f_x^{\prime}(x, y)=2 x \sin \frac{1}{x y}-\frac{x^2+y^2}{x^2 y} \cos \frac{1}{x y} $$ 由夹逼准则可知 $\lim _{\substack{x \rightarrow 0 \\ y \rightarrow 0}} 2 x \sin \frac{1}{x y}=0$. 对于 $\frac{x^2+y^2}{x^2 y} \cos \frac{1}{x y}$ 取 $y=x$ ,得 $\frac{2}{x} \cos \frac{1}{x^2}$ ,当 $x=\frac{1}{\sqrt{2 n \pi}}, n \rightarrow 0$ 时,有 $$ \begin{aligned} &\frac{2}{x} \cos \frac{1}{x^2}=2 \sqrt{2 n \pi} \rightarrow \infty(n \rightarrow 0)\\ &\text { 发散,故 } \frac{\partial f(x, y)}{\partial x} \text { 不连续,即正确选项为【C】. } \end{aligned} $$ 如果用计算机模拟$(x^2+y^2) \sin \frac{1}{x y}$图形如下 {width=300px}
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