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课程库 Calculus 2 S7 · 二元函数 › 第 3

极限与连续 —— 无穷多条路的会师检查

普通课45 分钟

本课导读

单变量的 xax \to a 只有两条路:从左来、从右来,左右极限一致即极限存在。升到二维,(x,y)(a,b)(x, y) \to (a, b) 的路有无穷多条——沿直线、沿抛物线、螺旋着来都行,极限存在要求所有路径的答案一致。这个升级带来一套实用武器:双路径判别法——找到两条答案不同的路,立刻宣判极限不存在。本课练熟这套判别术,并交代连续性(好消息:常见函数在定义域内都连续,不用天天紧张)。这是全单元理论浓度最高的一课,预计 45 分钟。

说明

前置工具箱:单变量极限的直觉(左右极限一致才存在);分式化简与约分;夹逼思想(gh0|g| \leq h \to 0g0g \to 0);代入法求极限(连续处直接代)。

🔧 30 秒回顾 · 本课要用的旧手艺(熟练可跳过)

① 左右极限limx0xx\lim_{x \to 0} \frac{|x|}{x} 左边给 1-1、右边给 +1+1,不一致 ⟹ 极限不存在。微例即本课双路径判别法的一维原型。⚠️ 翻车点:只查了一边就下结论。

② 分式约分:先代入,得 00\frac{0}{0} 再动手化简。微例:沿 y=xy = x 代入 xyx2+y2\frac{xy}{x^2 + y^2}x22x2=12\frac{x^2}{2x^2} = \frac{1}{2}——例题 2 原式。⚠️ 翻车点:约分时丢掉系数。

③ 夹逼0g(x)h(x)0 \leq |g(x)| \leq h(x)h0h \to 0,则 g0g \to 0。微例:x2yx2+y2y0\left|\frac{x^2 y}{x^2 + y^2}\right| \leq |y| \to 0——例题 4 原式。⚠️ 翻车点:夹的是绝对值,结论才对正负都成立。

从两条路到无穷条路

记号lim(x,y)(a,b)f(x,y)=L\displaystyle\lim_{(x,y) \to (a,b)} f(x,y) = L 意思是:点 (x,y)(x, y) 以任何方式逼近 (a,b)(a, b) 时,ff 的值都逼近同一个 LL

关键在"任何方式"四个字。一维时数轴上只能从左或从右来(🔧 工具箱 ①);二维时 (a,b)(a, b) 四面八方全是来路——沿 xx 轴、沿 yy 轴、沿任意直线、沿抛物线、画着圈来……所有路径必须给出同一个答案,极限才存在。

由此立刻得到本课的主力武器:

注意

双路径判别法:若能找到两条逼近路径,ff 沿它们的极限不同(或某条不存在),则 lim(x,y)(a,b)f(x,y)\displaystyle\lim_{(x,y)\to(a,b)} f(x,y) 不存在

注意方向:这是判死工具,不是判活工具——检查一万条路径都一致,也不能证明极限存在(万一第一万零一条不一样呢)。判活要靠夹逼或连续性,见后文。

双路径判别实战

例题 1 · 沿两条轴会师失败

判断 lim(x,y)(0,0)x2y2x2+y2\displaystyle\lim_{(x,y) \to (0,0)} \frac{x^2 - y^2}{x^2 + y^2} 是否存在。

✅ 解法展开

路径一:沿 xx(即 y=0y = 0x0x \to 0):f(x,0)=x2x2=1f(x, 0) = \dfrac{x^2}{x^2} = 1,极限 11

路径二:沿 yyx=0x = 0):f(0,y)=y2y2=1f(0, y) = \dfrac{-y^2}{y^2} = -1,极限 1-1

111 \neq -1,两路答案打架——极限不存在 ✅。画面:这张曲面在原点附近,沿东西方向高度贴着 1、沿南北方向贴着 1-1,原点是撕裂点,没有统一的"逼近值"。

例题 2 · 轴上一致也可能是假象

判断 lim(x,y)(0,0)xyx2+y2\displaystyle\lim_{(x,y) \to (0,0)} \frac{xy}{x^2 + y^2} 是否存在。

✅ 解法展开

沿 xx 轴:f(x,0)=00f(x, 0) = 0 \to 0;沿 yy 轴:f(0,y)=00f(0, y) = 0 \to 0。两条轴一致,能收工吗?不能——再试一条:

沿对角线 y=xy = x(🔧 工具箱 ②):f(x,x)=x22x2=1212f(x, x) = \dfrac{x^2}{2x^2} = \dfrac{1}{2} \to \dfrac{1}{2}

0120 \neq \tfrac{1}{2}——极限不存在 ✅。教训:两条轴只是无穷条路里最好走的两条,它们一致什么也保证不了。顺手多算一步:沿 y=mxy = mxmx2(1+m2)x2=m1+m2\dfrac{mx^2}{(1 + m^2)x^2} = \dfrac{m}{1 + m^2}——每条直线一个答案,斜率不同答案不同,是最生动的"取决于来路"。

例题 3 · 所有直线都一致,仍然翻车

判断 lim(x,y)(0,0)x2yx4+y2\displaystyle\lim_{(x,y) \to (0,0)} \frac{x^2 y}{x^4 + y^2} 是否存在。

✅ 解法展开

所有直线 y=mxy = mxf(x,mx)=mx3x4+m2x2=mxx2+m20f(x, mx) = \dfrac{mx^3}{x^4 + m^2 x^2} = \dfrac{mx}{x^2 + m^2} \to 0m0m \neq 0;轴同样给 0)。每一条直线都说极限是 0。

但曲线路径另有说法。沿抛物线 y=x2y = x^2

f(x,x2)=x2x2x4+x4=1212f(x, x^2) = \frac{x^2 \cdot x^2}{x^4 + x^4} = \frac{1}{2} \to \frac{1}{2}

0120 \neq \tfrac{1}{2}——极限不存在 ✅。这是二维极限最著名的陷阱:直线全票通过 ≠ 极限存在,弯路也有投票权。选路径的小窍门:让分母的两项同阶(这里 x4x^4y2y^2 同阶 ⟹ 试 yx2y \sim x^2),往往能榨出不同的答案。

判活工具:夹逼与连续性

例题 4 · 用夹逼证明极限存在

证明 lim(x,y)(0,0)x2yx2+y2=0\displaystyle\lim_{(x,y) \to (0,0)} \frac{x^2 y}{x^2 + y^2} = 0

✅ 解法展开

x2x2+y2x^2 \leq x^2 + y^2x2x2+y21\dfrac{x^2}{x^2 + y^2} \leq 1,于是(🔧 工具箱 ③):

0    x2yx2+y2=x2x2+y2y    y00 \;\leq\; \left|\frac{x^2 y}{x^2 + y^2}\right| = \frac{x^2}{x^2 + y^2}\,|y| \;\leq\; |y| \longrightarrow 0

夹逼成立,极限为 00 ✅——这个结论对一切路径成立,不是抽查。对照例题 2(分子 xyxy,不存在)与本题(分子 x2yx^2 y,存在为零):分子多一次幂,"零的力量"压过了分母,命运反转。分子分母的次数对比是快速预判的线索:分子总次数高于分母 ⟹ 倾向存在且为 0;持平或更低 ⟹ 高度可疑,抓紧找双路径。

连续性:好消息章节

定义ff 在点 (a,b)(a, b) 连续,若 lim(x,y)(a,b)f(x,y)=f(a,b)\displaystyle\lim_{(x,y) \to (a,b)} f(x,y) = f(a,b)——极限存在、函数值存在、两者相等。

好消息:由多项式、分式、根式、指数、对数、三角函数经四则与复合搭出来的函数,在其定义域内处处连续。这意味着日常求极限的第一招永远是直接代入

lim(x,y)(1,2)x2y+3x+y=12+33=53\lim_{(x,y) \to (1,2)} \frac{x^2 y + 3}{x + y} = \frac{1 \cdot 2 + 3}{3} = \frac{5}{3}

不在定义域的点(分母为零处等)才需要今天这套路径分析。本课三个反面教材(例题 1–3)清一色是 (0,0)(0,0) 处的 00\frac{0}{0}——定义域的破洞处,才是极限侦探的案发现场。

提示

工作流总结:先代入(定义域内连续,代了就完)→ 代出 00\frac{0}{0} 再上手段:疑心不存在就找两条路(轴 → 直线 y=mxy = mx → 按分母配阶挑弯路);疑心存在就夹逼

✍️ 练习

练习 1 · 双路径基本功

判断 lim(x,y)(0,0)2xy3x2+3y2\displaystyle\lim_{(x,y) \to (0,0)} \frac{2xy}{3x^2 + 3y^2} 是否存在。

✅ 参考答案

沿 xx 轴:00。沿 y=xy = x2x26x2=13\dfrac{2x^2}{6x^2} = \dfrac{1}{3}。不一致 ⟹ 不存在。(它就是例题 2 换了外衣:分子分母同为二次,可疑名单头号特征。)

练习 2 · 弯路狙击

判断 lim(x,y)(0,0)xy2x2+y4\displaystyle\lim_{(x,y) \to (0,0)} \frac{x y^2}{x^2 + y^4} 是否存在。(提示:按分母配阶挑路径。)

✅ 参考答案

分母 x2x^2y4y^4 同阶 ⟹ 试 x=y2x = y^2f(y2,y)=y2y2y4+y4=12f(y^2, y) = \dfrac{y^2 \cdot y^2}{y^4 + y^4} = \dfrac{1}{2}。而沿 xx 轴(y=0y = 0)得 00。不一致 ⟹ 不存在。(所有直线 y=mxy = mx 都给 0——例题 3 的孪生兄弟,直线全票通过依然翻车。)

练习 3 · 判活练习

判断 lim(x,y)(0,0)x3+y3x2+y2\displaystyle\lim_{(x,y) \to (0,0)} \frac{x^3 + y^3}{x^2 + y^2} 是否存在;若存在求其值。

✅ 参考答案

分子三次、分母二次——次数占优,倾向存在为 0。夹逼:

x3+y3x2+y2x3+y3x2+y2x(x2+y2)+y(x2+y2)x2+y2=x+y0\left|\frac{x^3 + y^3}{x^2 + y^2}\right| \leq \frac{|x|^3 + |y|^3}{x^2 + y^2} \leq \frac{|x| (x^2 + y^2) + |y|(x^2 + y^2)}{x^2 + y^2} = |x| + |y| \longrightarrow 0

(用了 x3=xx2x(x2+y2)|x|^3 = |x| \cdot x^2 \leq |x|(x^2 + y^2)。)极限存在且为 00 ✅。

练习 4 · 连续性快答

函数 f(x,y)=exyxyf(x, y) = \dfrac{e^{xy}}{x - y} 在哪些点连续?lim(x,y)(2,1)f(x,y)\displaystyle\lim_{(x,y) \to (2,1)} f(x,y) 是多少?

✅ 参考答案

指数与分式的复合,在定义域 xyx \neq y 上处处连续。(2,1)(2, 1) 在定义域内,直接代入:e21=e2\dfrac{e^2}{1} = e^2。——不是每道极限题都要摆路径阵,定义域内一律"先代入"。

📝 随堂测验

随堂测验0 / 5 题正确

1. 二维极限 $\lim_{(x,y)\to(a,b)} f = L$ 存在的含义是?

2. 双路径判别法的正确用途是?

3. $\dfrac{x^2 y}{x^4 + y^2}$ 在原点沿所有直线的极限都是 0,但沿 $y = x^2$ 得 $\tfrac{1}{2}$。结论是?

4. 用夹逼证明 $\left|\frac{x^2y}{x^2+y^2}\right| \leq |y|$ 后可以下的结论是?

5. 求 $\lim_{(x,y)\to(1,2)} (x^2y + e^{x-y})$ 的第一步应该是?

本课小结

  • 二维极限要求任何路径逼近都得同一个值;一维的"左右一致"升级为"无穷条路全票通过"
  • 双路径判别法(判死专用):两条路答案不同 ⟹ 极限不存在;路径菜单——轴 → 直线 y=mxy = mx → 按分母配阶挑弯路(x4x^4y2y^2 ⟹ 试 y=x2y = x^2
  • 直线全一致仍可能翻车(例题 3)——判活只能靠夹逼(对一切路径成立)或连续性
  • 快速预判:分子总次数高于分母 ⟹ 倾向存在为 0;持平或更低 ⟹ 高度可疑
  • 连续性:常见初等函数在定义域内处处连续,先代入永远是第一招;破洞处(00\frac{0}{0})才开侦探模式

下一课回到主线技术:偏导数——在曲面上"一次只朝一个方向量斜率",你已有的求导手艺几乎原封不动搬进来。

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讨论

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