§8.1(续)二元函数的极限方法与连续性
一、二元函数求极限的方法
方法1:转化为一元函数极限
通过变量替换或等价无穷小,将二元极限转化为一元极限。
例1:(x,y)→(0,0)limx+ysin(x+y)
令 u=x+y,当 (x,y)→(0,0) 时 u→0,原式 =limu→0usinu=1
例2:(x,y)→(0,2)lim(1+sinxy)xy1
令 u=xy,u→0,原式 =limu→0(1+sinu)u1=e
方法2:夹逼准则(重要考点)
核心思路:预先通过某些途径算出极限值 A,再证明 ∣f(x,y)−A∣≤g(x,y)→0
lim(x,y)→(x0,y0)f(x,y)=A⟺lim(x,y)→(x0,y0)∣f(x,y)−A∣=0
例3:(x,y)→(0,0)limx2+y2xy
0≤x2+y2xy=∣x∣⋅x2+y2∣y∣≤∣x∣→0
故极限 =0。
二、求二元函数极限的两种常见错误 ⚠️
错误1:盲目使用极坐标代换
令 {x=rcosθy=rsinθ,错误地认为:
lim(x,y)→(0,0)f(x,y)=limr→0f(rcosθ,rsinθ)
反例:(x,y)→(0,0)limx+yxy,极坐标化为 limr→0cosθ+sinθrcosθsinθ=0
但实际上沿 y=−x+kx2 趋于 (0,0):
limx→0x+(−x+kx2)x(−x+kx2)=limx→0kx2−x2+kx3=−k1
随 k 变化,极限不存在!极坐标法失效。
问题根源:θ 随 r→0 可以变化(不固定),θ 的依赖性可能掩盖极限的不存在性。
另一反例:(x,y)→(0,0)limx4+y2x2y,极坐标得 0,但沿 y=x2 得 21。
错误2:用二次累次极限代替二重极限
错误地认为:(x,y)→(x0,y0)limf(x,y)=x→x0limy→y0limf(x,y)
重要结论:二重极限与二次累次极限是不同概念。但若三者都存在,则必相等。
实际作用:在用夹逼准则时,可先通过二次极限猜出极限值 A。
三、二元函数的连续性
定义
设 f(x,y) 在 P0(x0,y0) 的某邻域内有定义,若:
lim(x,y)→(x0,y0)f(x,y)=f(x0,y0)
则称 f(x,y) 在 P0 处连续。
等价形式(增量形式):
lim(Δx,Δy)→(0,0)[f(x0+Δx,y0+Δy)−f(x0,y0)]=lim(Δx,Δy)→(0,0)Δz=0
区域上的连续性
- 若 f 在 D 内每一点连续 → f 在 D 内连续
- 若 f 在边界点上也连续 → f 是闭区域上的连续函数
四、与一元函数连续的相同点
1. 运算性质
连续函数的和、差、积、商(分母不为零)以及复合函数仍连续。
2. 多元初等函数
由常数及不同自变量的一元基本初等函数,经有限次四则运算和复合运算得到,在其定义区域内均是连续的。
重要推论:多元初等函数在定义区域内任意点处的极限值 = 函数值。
3. 有界闭区域上连续函数的性质
若 f(P) 在有界闭区域 D 上连续,则:
| 定理 | 内容 |
|---|
| 有界性定理 | f(P) 在 D 上有界 |
| 最值定理 | f(P) 在 D 上可取到最大值 M 和最小值 m |
| 介值定理 | f(P) 可取到介于 m 和 M 之间的任何值 |
五、典型例题
例4(含参变限积分)
lim(x,y)→(0,0)(x2+y2)2∫0x2+y2sint2dt
分析:令 u=x2+y2,原式 =limu→0u2∫0usint2dt,
洛必达:limu→02usinu2=limu→02uu2=0
例5(证连续性)
f(x,y)=⎩⎨⎧x2+y2xy(x2−y2)0(x,y)=(0,0)(x,y)=(0,0)
证明 f 在原点连续:
0≤∣f(x,y)−0∣=x2+y2∣xy∣⋅∣x2−y2∣≤∣xy∣→0
故 lim(x,y)→(0,0)f(x,y)=0=f(0,0),连续。
例6(讨论连续性)
f(x,y)=⎩⎨⎧xln(1+xy)yx=0x=0
讨论 f 在 D 上的连续性:
- 当 x0=0:由初等函数连续性,在 (x0,y0) 处连续
- 当 x0=0:lim(x,y)→(0,y0)f(x,y)=limxln(1+xy)=limxxy=y0=f(0,y0),也连续
关键词汇总
| 方法/概念 | 要点 |
|---|
| 化为一元极限 | 变量替换 u=g(x,y),等价无穷小 |
| 夹逼准则 | 先猜到 A,证 ∣f−A∣→0 |
| 极坐标错误 | θ 可随 r 变化,不能仅证 ∀θ 有相同极限 |
| 累次极限 | ≠ 二重极限;都存在则必相等 |
| 连续定义 | limf=f(x0,y0) 或 Δz→0 |
| 多元初等函数 | 定义区域内连续,极限 = 函数值 |
| 闭区域连续性质 | 有界性 + 最值 + 介值 |