本课导读
单变量的 x→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) 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(∣g∣≤h→0 则 g→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:limx→0x∣x∣ 左边给 −1、右边给 +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 再动手化简。微例:沿 y=x 代入 x2+y2xy 得 2x2x2=21——例题 2 原式。⚠️ 翻车点:约分时丢掉系数。
③ 夹逼:0≤∣g(x)∣≤h(x) 且 h→0,则 g→0。微例:x2+y2x2y≤∣y∣→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:(x,y)→(a,b)limf(x,y)=L 意思是:点 (x,y) 以任何方式逼近 (a,b) 时,f 的值都逼近同一个 L。
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) 四面八方全是来路——沿 x 轴、沿 y 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,f 沿它们的极限不同(或某条不存在),则 (x,y)→(a,b)limf(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 (x,y)→(0,0)limx2+y2x2−y2 是否存在。
✅ 解法展开
路径一:沿 x 轴(即 y=0,x→0):f(x,0)=x2x2=1,极限 1。
路径二:沿 y 轴(x=0):f(0,y)=y2−y2=−1,极限 −1。
1=−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,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 (x,y)→(0,0)limx2+y2xy 是否存在。
✅ 解法展开
沿 x 轴:f(x,0)=0→0;沿 y 轴:f(0,y)=0→0。两条轴一致,能收工吗?不能——再试一条:
沿对角线 y=x(🔧 工具箱 ②):f(x,x)=2x2x2=21→21。
0=21——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=mx 得 (1+m2)x2mx2=1+m2m——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 (x,y)→(0,0)limx4+y2x2y 是否存在。
✅ 解法展开
所有直线 y=mx:f(x,mx)=x4+m2x2mx3=x2+m2mx→0(m=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=x2:
f(x,x2)=x4+x4x2⋅x2=21→210=21——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 x4 与 y2 同阶 ⟹ 试 y∼x2),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 (x,y)→(0,0)limx2+y2x2y=0。
✅ 解法展开
由 x2≤x2+y2 得 x2+y2x2≤1,于是(🔧 工具箱 ③):
0≤x2+y2x2y=x2+y2x2∣y∣≤∣y∣⟶0夹逼成立,极限为 0 ✅——这个结论对一切路径成立,不是抽查。对照例题 2(分子 xy,不存在)与本题(分子 x2y,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:f 在点 (a,b) 连续,若 (x,y)→(a,b)limf(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:
(x,y)→(1,2)limx+yx2y+3=31⋅2+3=35
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) 处的 00——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 再上手段:疑心不存在就找两条路(轴 → 直线 y=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 (x,y)→(0,0)lim3x2+3y22xy 是否存在。
✅ 参考答案
沿 x 轴:0。沿 y=x:6x22x2=31。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 (x,y)→(0,0)limx2+y4xy2 是否存在。(提示:按分母配阶挑路径。)
✅ 参考答案
分母 x2 与 y4 同阶 ⟹ 试 x=y2:f(y2,y)=y4+y4y2⋅y2=21。而沿 x 轴(y=0)得 0。不一致 ⟹ 不存在。(所有直线 y=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 (x,y)→(0,0)limx2+y2x3+y3 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:
x2+y2x3+y3≤x2+y2∣x∣3+∣y∣3≤x2+y2∣x∣(x2+y2)+∣y∣(x2+y2)=∣x∣+∣y∣⟶0(用了 ∣x∣3=∣x∣⋅x2≤∣x∣(x2+y2)。)极限存在且为 0 ✅。
练习 4 · 连续性快答
函数 f(x,y)=x−yexy 在哪些点连续?(x,y)→(2,1)limf(x,y) 是多少?
✅ 参考答案
指数与分式的复合,在定义域 x=y 上处处连续。(2,1) 在定义域内,直接代入:1e2=e2。——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
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=mx → 按分母配阶挑弯路(x4 对 y2 ⟹ 试 y=x2)
- 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)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。