8.1 多元函数的极限与连续 📖 笔记p2-5

8.1.1 $\RR^n$ 空间的基本概念

R^n空间

多元函数记号

$n$ 维向量与点

$\RR^n$ 中的点($n$ 维向量):$\boldsymbol{x}_k = (x_{k1},\, x_{k2},\, \ldots,\, x_{kn})$

$\RR^n$ 中两点之间的距离(欧氏距离):

$$d(\boldsymbol{x}_1, \boldsymbol{x}_2) = \sqrt{\sum_{i=1}^n (x_{1i}-x_{2i})^2}$$

$\RR^2$ 时退化为平面距离:$d = \sqrt{(x_1-x_2)^2+(y_1-y_2)^2}$

$\RR^n$ 中邻域

$\delta$-邻域(笔记核心定义)

设 $\boldsymbol{x}_0\in\RR^n$,$\delta>0$:

$$U(\boldsymbol{x}_0,\delta) = \{\boldsymbol{x}\in\RR^n \mid d(\boldsymbol{x},\boldsymbol{x}_0) < \delta\}$$

$n=2$ 时:$U(\boldsymbol{x}_0,\delta)=\bigl\{(x,y)\bigm|\sqrt{(x-x_0)^2+(y-y_0)^2}<\delta\bigr\}$ — 即以 $\boldsymbol{x}_0$ 为圆心、$\delta$ 为半径的圆盘(开圆)

$\RR^n$ 中邻域亦可写作:$U(\boldsymbol{x}_0,\delta)=\Bigl\{\boldsymbol{x}\Bigm|\sqrt{\sum_{i=1}^n(x_i-x_{0i})^2}<\delta\Bigr\}$ — 开球

去心邻域:$\mathring{U}(\boldsymbol{x}_0,\delta)=\{\boldsymbol{x}\mid 0

笔记图示:$\RR^2$ 中的邻域是圆盘;边界是圆周。比较一元情形(线段)直观理解高维推广。

点与点集的关系

设 $P \in \RR^n$,$E \subset \RR^n$:

记忆口诀:内点→整个邻域在 $E$ 内;外点→整个邻域在 $E$ 外;边界点→邻域横跨 $E$ 的边缘;聚点→去心邻域总碰 $E$。
开/闭集的关系:开集 = 所有点都是内点。闭集 = 补集是开集 = 包含所有聚点($E'\subset E$)。
$\RR^n$ 和 $\varnothing$ 既是开集又是闭集。大多数集合既不开也不闭(如半开区间 $[0,1)$)。
内点一定是聚点;边界点一定是聚点;但外点不是聚点。
利用导集可判若干内外点关系。

开区域与闭区域

区域的定义(笔记底部)

有界区域:$\exists\,M>0$ 使 $D\subset U(\boldsymbol{0},M)$(区域被一个大球包住)

四性关系图
连续/可偏导/可微/偏导连续关系图(生成配图)

8.1.2 多元函数的概念与极限

多元极限

多元函数的定义

多元函数(笔记第一行)

设 $f: \RR^n \to \RR$。常见二元函数例子:

二元函数的图形是 $\RR^3$ 中的曲面 $z = f(x,y)$,$(x,y)$ 跑遍定义域 $D\subset\RR^2$。

定义域确定规则:去掉使表达式无意义的点,即要求:对数内部 $>0$,根号内部 $\geq 0$,分母 $\neq 0$,反三角函数自变量在 $[-1,1]$ 等。

二重极限的定义

$\varepsilon$-$\delta$ 定义(笔记核心)
$$\lim_{\substack{(x,y)\to(x_0,y_0)}} f(x,y) = A \;\Longleftrightarrow\; \forall\varepsilon>0,\;\exists\delta>0,\;\forall(x,y)\in\mathring{U}(P_0,\delta):\;|f(x,y)-A|<\varepsilon$$

即:$0 < \sqrt{(x-x_0)^2+(y-y_0)^2} < \delta \;\Rightarrow\; |f(x,y)-A|<\varepsilon$

等价地:$\lim_{(x,y)\to(x_0,y_0)} f(x,y)=A \;\Longleftrightarrow\; \lim_{(x,y)\to(x_0,y_0)}|f(x,y)-A|=0$

关键区别:二重极限要求 $(x,y)$ 沿任意路径趋近 $(x_0,y_0)$ 时极限相同且都等于 $A$。这是比一元极限更强的要求——一元中只有 $x\to x_0^+$ 和 $x\to x_0^-$ 两个方向,二元中有无穷多条路径。

极限存在性的判断

二重极限做题决策树
  1. 先猜极限是否存在:代入几条常见路径($y=0$, $x=0$, $y=kx$, $y=x^2$),如果不同路径给出不同值 → 不存在,直接写出两条路径即可。
  2. 如果所有试探路径都给出相同值 → 可能存在,尝试证明:
    • 放缩法 / 夹逼定理:找到 $0\leq|f(x,y)-A|\leq g(x,y)\to 0$ 的函数 $g$
    • 极坐标代换:令 $x=r\cos\theta$, $y=r\sin\theta$,若结果与 $\theta$ 无关(或可被 $r$ 控制)且 $r\to 0$ 时极限有定值 → 存在
常用放缩不等式(笔记总结)
分子分母阶数速判(笔记重点):对于 $\dfrac{x^a y^b}{(x^2+y^2)^{c/2}}$,令 $r=\sqrt{x^2+y^2}\to 0$: 配阶路径:分母为 $x^m+y^n$($m\neq n$)时,试路径 $x = y^{n/m}$(或 $y = x^{m/n}$)使分子分母各项同阶,往往可得非零极限(说明极限不存在)。例如分母 $x^2+y^4$,试 $x=y^2$。
有界×无穷小 = 无穷小:若 $|g(x,y)|\leq M$(有界),$f(x,y)\to 0$,则 $f\cdot g\to 0$。典型形式:$f(x,y)\cdot\sin\dfrac{1}{h(x,y)}$,由于 $\left|\sin\dfrac{1}{h}\right|\leq 1$,只需证 $f\to 0$。

极限的计算方法

方法1:等价无穷小替换(在 $(x,y)\to(0,0)$ 时)

方法2:放缩 + 夹逼

笔记例题1:$\displaystyle\lim_{(x,y)\to(0,0)} \frac{x^2y}{x^2+y^2}$

注意 $\dfrac{x^2}{x^2+y^2}\leq 1$,故:

$$0 \leq \left|\frac{x^2 y}{x^2+y^2}\right| = \frac{x^2}{x^2+y^2}\cdot|y| \leq |y| \to 0$$

由夹逼定理,极限 $= 0$。

(也可用极坐标:$= r^2\cos^2\theta\cdot\frac{r\sin\theta}{r^2} = r\cos^2\theta\sin\theta$,$|r\cos^2\theta\sin\theta|\leq r\to 0$)

笔记例题2:$\displaystyle\lim_{(x,y)\to(0,0)} \frac{xy}{\sqrt{x^2+y^2}}$
$$\left|\frac{xy}{\sqrt{x^2+y^2}}\right| \leq \frac{\frac{x^2+y^2}{2}}{\sqrt{x^2+y^2}} = \frac{\sqrt{x^2+y^2}}{2} \to 0$$

(或极坐标:$= \dfrac{r^2\cos\theta\sin\theta}{r} = r\cos\theta\sin\theta$,$|\cdot|\leq r\to 0$)

极限 $= 0$。

笔记例题3:$\displaystyle\lim_{(x,y)\to(0,0)} \frac{x^3y}{x^4+y^2}$

用 AM-GM:$x^4+y^2\geq 2x^2|y|$,故:

$$\left|\frac{x^3 y}{x^4+y^2}\right| \leq \frac{|x|^3|y|}{2x^2|y|} = \frac{|x|}{2} \to 0$$

极限 $= 0$。

:分母 $x^4+y^2$ 含不同次幂,直接用极坐标阶数估计不均匀,改用 AM-GM 更便捷。

笔记例题4(趋于无穷处的极限):$\displaystyle\lim_{(x,y)\to(0,0)} \sqrt{x^2+y^2}\ln(x^2+y^2)$

令 $r=\sqrt{x^2+y^2}\to 0^+$,则原式 $= r\ln(r^2) = 2r\ln r$。

由一元极限:$\lim_{r\to 0^+} r\ln r = 0$($\frac{\ln r}{1/r}\xrightarrow{\text{L'H}}\frac{1/r}{-1/r^2}=-r\to 0$)

故原极限 $= 2\times 0 = \mathbf{0}$。

方法3:找两条路径得不同极限 → 极限不存在

笔记例题5:$\displaystyle\lim_{(x,y)\to(0,0)} \frac{xy}{x^2+y^2}$

取路径 $y = 0$:极限 $= \dfrac{0}{x^2} = 0$。

取路径 $y = x$:极限 $= \dfrac{x^2}{2x^2} = \dfrac{1}{2}$。

两条路径极限不同($0 \neq \dfrac{1}{2}$)→ 二重极限不存在

累次极限与二重极限无必然关系:三者可以任意组合存在/不存在。唯一联系:若二重极限存在且对固定 $x$(或 $y$)的一元极限也存在,则对应累次极限等于二重极限。详见下节。

8.1.3 累次极限 vs 二重极限

累次极限

三种极限的定义

三种极限(笔记核心对比)

关键定理:若二重极限 $\displaystyle\lim_{(x,y)\to(x_0,y_0)} f(x,y) = A$,且对每个固定的 $x\neq x_0$,极限 $\displaystyle\lim_{y\to y_0} f(x,y)$ 存在,则:

$$\lim_{x\to x_0}\lim_{y\to y_0} f(x,y) = A$$

(先 $x$ 后 $y$ 的情形类似)

三者互相独立——任何一个存在均不能推出其他的存在!
仅有的联系方向:二重极限存在 + 内层极限存在 $\Rightarrow$ 对应累次极限存在且等于二重极限。反向均不成立。

各种独立组合的反例(笔记对应例题)

例1:两个累次极限存在且相等,但二重极限不存在 $$f(x,y) = \frac{xy}{x^2+y^2}, \quad (x,y)\neq(0,0)$$
分析

先 $y\to 0$(固定 $x\neq 0$):$\lim_{y\to 0}\dfrac{xy}{x^2+y^2} = \dfrac{0}{x^2} = 0$,再 $x\to 0$:$\lim_{x\to 0}0 = 0$。

先 $x\to 0$(固定 $y\neq 0$):$\lim_{x\to 0}\dfrac{xy}{x^2+y^2} = \dfrac{0}{y^2} = 0$,再 $y\to 0$:$\lim_{y\to 0}0 = 0$。

两累次极限均为 $0$,但沿 $y=kx$:$\dfrac{kx^2}{x^2+k^2x^2}=\dfrac{k}{1+k^2}$(依赖 $k$),故二重极限不存在

例2(笔记详细例):二重极限不存在,分子分母阶数相等情形 $$\lim_{(x,y)\to(0,0)}\frac{x^2y}{x^4+y^2}$$
分析

先尝试路径 $y=kx$:$\dfrac{kx^3}{x^4+k^2x^2}=\dfrac{kx}{x^2+k^2}\to 0$。

再试路径 $y=x^2$(配阶!分母 $x^4+y^2$ 在 $y=x^2$ 时两项同阶):

$$\frac{x^2\cdot x^2}{x^4+x^4} = \frac{x^4}{2x^4} = \frac{1}{2}$$

路径 $y=0$ 给 $0$,路径 $y=x^2$ 给 $\dfrac{1}{2}$,故二重极限不存在

技巧:分母 $x^4+y^2$ 中 $x$ 的次数4、$y$ 的次数2,配阶路径取 $y=x^{4/2}=x^2$。

例3(笔记高亮例题):利用 $1$-范数路径 $$\lim_{(x,y)\to(0,1)}\frac{x^2(y-1)}{x^4+(y-1)^2}$$

令 $u=x$, $v=y-1$,转化为 $(u,v)\to(0,0)$,研究 $\dfrac{u^2 v}{u^4+v^2}$。

路径 $u=0$:$\frac{0}{v^2}=0$。路径 $v=u^2$:$\dfrac{u^2\cdot u^2}{u^4+u^4}=\dfrac{1}{2}$。

两条路径极限不同 → 极限不存在

配阶技巧:分母 $u^4+v^2$ 中 $u$ 是4次、$v$ 是2次,试 $v=u^2$ 使各项同阶(均为 $u^4$),配阶后极限为非零常数。

反例精选(笔记粉色框)

等价无穷小在多元极限中的运用

常用等价无穷小($u\to 0$)
多元使用要点:等价无穷小替换要求替换的整体趋于 $0$。例如当 $(x,y)\to(0,0)$ 时 $x^2+y^2\to 0$,故 $\sin(x^2+y^2)\sim x^2+y^2$ 成立。但不能在加减法中直接替换(误差未必是高阶无穷小)。
例(笔记):$\displaystyle\lim_{(x,y)\to(0,0)}(1+x^2+y^2)^{\frac{1}{x^2\sin(x^2+y^2)}}$

令 $u = x^2+y^2\to 0$,指数中 $\sin(x^2+y^2)\sim x^2+y^2$,故分母 $x^2\sin(x^2+y^2)\sim x^2(x^2+y^2)$。

底数 $\ln(1+x^2+y^2)\sim x^2+y^2$,所以对数形式:

$$\frac{\ln(1+x^2+y^2)}{x^2\sin(x^2+y^2)}\sim\frac{x^2+y^2}{x^2(x^2+y^2)}=\frac{1}{x^2}\to\infty$$

这说明极限与路径有关(当 $y=0$,指数 $\to\frac{1}{x^2}\to\infty$)——需要更仔细分析路径。

笔记结论:此类形如 $(1+\alpha)^{1/\beta}$ 的极限,整理为 $e^{\alpha/\beta}$ 后再分析 $\alpha/\beta$ 的极限。

笔记例(累次极限计算):$\displaystyle\lim_{(x,y)\to(0,0)} \frac{x^2}{x^4+y^2}$(二重极限)vs 累次极限

先 $y\to 0$(固定 $x\neq 0$):$\dfrac{x^2}{x^4+0}=\dfrac{1}{x^2}\to\infty$(内层极限不存在)→ 先 $y$ 后 $x$ 的累次极限不存在。

先 $x\to 0$(固定 $y\neq 0$):$\dfrac{0}{y^2}=0$,再 $y\to 0$:$0$。先 $x$ 后 $y$ 的累次极限 $=0$。

路径 $y=kx^2$:$\dfrac{x^2}{x^4+k^2x^4}=\dfrac{1}{(1+k^2)x^2}\to\infty$,故二重极限不存在

本例说明:先 $x$ 后 $y$ 的累次极限存在($=0$),但二重极限不存在,印证三者独立。

8.1.4 多元函数的连续性

连续性

连续性的定义

连续的三要素(笔记定义)

$f(x,y)$ 在点 $(x_0,y_0)$ 处连续 $\Leftrightarrow$ $f(x,y)$ 在 $(x_0,y_0)$ 过连续线,等价于:

$$\lim_{(x,y)\to(x_0,y_0)} f(x,y) = f(x_0,y_0)$$

即同时满足三个条件:

  1. $f(x_0,y_0)$ 有定义(函数在该点有值)
  2. $\displaystyle\lim_{(x,y)\to(x_0,y_0)} f(x,y)$ 存在(二重极限存在)
  3. 极限值 等于函数值:$\lim = f(x_0,y_0)$
连续性与三种极限的关系(笔记 p5 顶部定理)

若 $f(x,y)$ 在 $(x_0,y_0)$ 连续,则:

但注意:三个极限(二重、先$x$后$y$、先$y$后$x$)中,若其中两个存在而且相等,不能推出第三个存在或等于这个值(见 §8.1.3 反例)。

多元初等函数的连续性

多元初等函数在其定义域内处处连续。
初等函数 = 由基本初等函数(幂函数、指数、对数、三角、反三角)经有限次四则运算和复合得到的函数。
推论:如果 $f$ 是初等函数且 $(x_0,y_0)$ 在定义域内部,则直接代入即可计算极限:$\lim_{(x,y)\to(x_0,y_0)}f(x,y)=f(x_0,y_0)$。

连续性的判断方法(针对分段函数)

  1. 非分界点处:如果 $f$ 是初等函数,则在该点自动连续(直接代入)
  2. 分界点处:必须计算二重极限,看是否等于函数在该点的定义值
笔记例题1:$f(x,y) = \begin{cases}\dfrac{(x+y)^2}{x^2+y^2}, &(x,y)\neq(0,0)\\ 1, &(x,y)=(0,0)\end{cases}$,在原点是否连续?

检验 $\displaystyle\lim_{(x,y)\to(0,0)}\dfrac{(x+y)^2}{x^2+y^2}$ 是否存在:

路径 $y=0$:$\lim = \dfrac{x^2}{x^2} = 1$。

路径 $y=x$:$\lim = \dfrac{4x^2}{2x^2} = 2$。

两条路径极限不同($1\neq 2$)→ 二重极限不存在 → 在原点不连续

笔记例题2:$f(x,y) = \begin{cases}\dfrac{\sin(x^2+y^2)}{x^2+y^2}\cdot\mathrm{sgn}(x+y), &(x,y)\neq(0,0)\\ 0, &(x,y)=(0,0)\end{cases}$,原点连续性?

当 $(x,y)\to(0,0)$ 时,$\dfrac{\sin(x^2+y^2)}{x^2+y^2}\to 1$(等价无穷小),而 $\mathrm{sgn}(x+y)$ 在沿 $y=x>0$ 时为 $1$,沿 $y=x<0$(即 $y=-x-\varepsilon$)时为 $-1$。

故极限依路径而变,二重极限不存在,原点不连续。

有界函数($\mathrm{sgn}$ 有界)乘以趋于非零常数时,需看有界函数本身是否有极限,不能直接用有界×无穷小

笔记例题3(连续的正例):$f(x,y) = \begin{cases}\dfrac{x^2y}{x^2+y^2}, &(x,y)\neq(0,0)\\ 0, &(x,y)=(0,0)\end{cases}$,原点连续性?

$\left|\dfrac{x^2y}{x^2+y^2}\right| = \dfrac{x^2}{x^2+y^2}\cdot|y| \leq |y| \leq \sqrt{x^2+y^2}\to 0 = f(0,0)$。

二重极限 $= 0 = f(0,0)$,故 $f$ 在原点连续

闭区域上连续函数的性质

三大性质(类比一元闭区间)

设 $f$ 在有界闭区域 $D$(相当于一元的 $[a,b]$)上连续,则:

性质一元函数(闭区间)多元函数(有界闭区域)
有界性$f$ 在 $[a,b]$ 上有界$f$ 在 $D$ 上有界
最值定理$f$ 在 $[a,b]$ 上取到最大值和最小值$f$ 在 $D$ 上取到最大值和最小值
介值定理$f$ 取到最大最小值之间所有值$f$ 取到最大最小值之间所有值

多元函数中"有界闭区域"↔ 一元中"闭区间",两者的连续性理论完全类比。

闭区域上连续函数的性质在证明题中常用:有界性、最值定理、介值定理。
例如:证明方程 $f(x,y)=0$ 有解时,可对连续函数用介值定理;估计函数最大最小值时用最值定理。
与一元对比总结
多元函数 → 有界闭区域 → 闭区间(一元)
多元函数 → 闭区域 → 闭区间
多元函数中的连续性、极限理论是一元理论的自然推广,直觉来自 $\RR^2$ 平面图形。
解题方法总结
  1. 猜测极限是否存在:试几条路径($y=0$, $y=x$, $y=x^2$, $y=kx$),不同路径不同值 → 不存在
  2. 证明极限存在:放缩法($|xy|\leq\frac{x^2+y^2}{2}$,$\frac{x^2}{x^2+y^2}\leq 1$)或极坐标(结果不含 $\theta$ 或可被 $r$ 控制 → 存在)
  3. 分母不同阶:$x^m+y^n$($m\neq n$)时试"配阶路径" $y=x^{m/n}$(或 $x=y^{n/m}$),使分子分母各项同阶
  4. 有界×无穷小:$|\sin\frac{1}{g}|\leq 1$(有界),$f\to 0$ → 乘积 $\to 0$
  5. 连续性判断:分段函数在分界点处必须单独计算二重极限,验证是否等于函数值;非分界点的初等函数直接代入
  6. 累次极限:先对内层变量取极限(固定外层),再对外层取极限;三种极限互相独立,仅"二重存在+内层存在 $\Rightarrow$ 累次存在且相等"
【讲义重点】分子分母阶数速判法:$\dfrac{x^ay^b}{(x^2+y^2)^{c/2}}$,令 $r=\sqrt{x^2+y^2}\to 0$: 这个规律可以秒杀大部分选择题!但分母含 $x^m+y^n$($m\neq n$)时需要用配阶路径代替。
本节核心公式速查
类型判据/方法
极限不存在找两条路径使极限值不同
极限 $=0$(放缩)$\lvert f\rvert \leq g \to 0$(夹逼)
极坐标$x=r\cos\theta$, $y=r\sin\theta$,结果 $\leq Cr^k \to 0$
有界×无穷小$\lvert\sin\frac{1}{h}\rvert\leq 1$,$f\to 0$ → $f\cdot\sin\frac{1}{h}\to 0$
等价无穷小$\sin u\sim u$, $e^u-1\sim u$, $\ln(1+u)\sim u$, $1-\cos u\sim\frac{u^2}{2}$
连续性$\lim_{P\to P_0}f(P)=f(P_0)$(三要素)
初等函数在定义域内部连续,可直接代入

📝 历年真题精选:多元极限

【2024-2025 选择3】 求 $\displaystyle\lim_{(x,y)\to(0,0)}\frac{\tan(x^3+y^3)}{x^2+y^2}\cdot\sin\frac{1}{x^4+y^4}$
点击查看解析

关键:$|\sin\frac{1}{x^4+y^4}|\leq 1$(有界),只需证另一因子 $\to 0$。

$\tan u\sim u$,故 $\left|\frac{\tan(x^3+y^3)}{x^2+y^2}\right|\leq\frac{2(|x|^3+|y|^3)}{x^2+y^2}$。极坐标:$\leq 4r\to 0$。

有界×无穷小=无穷小。答案:A(=0)

技巧:看到 $f(x,y)\cdot\sin\frac{1}{g(x,y)}$ 的形式,立刻想"有界×无穷小"。

【2020-2021 选择】 $\displaystyle\lim_{(x,y)\to(0,0)}\frac{xy^2}{x^2+y^4}$ 是否存在?
点击查看解析

取 $y=0$:极限$=0$。取 $x=y^2$:极限$=\frac{y^4}{2y^4}=\frac{1}{2}$。路径不同 → 不存在

技巧:分母 $x^2+y^4$ 阶数不同,试"配阶"路径 $x=y^2$ 使各项同阶。

【2017-2018 选择】 $f(x,y)=\begin{cases}\frac{x^2y}{x^4+y^2},&(x,y)\neq(0,0)\\0,&(x,y)=(0,0)\end{cases}$,原点连续性?
点击查看解析

$y=0$:$f=0\to 0$。$y=x^2$:$f=\frac{x^4}{2x^4}=\frac{1}{2}\neq 0$。不连续

此函数是"偏导存在但不连续"的经典反例,8.3节也会用到。

【2018-2019 填空】 $\displaystyle\lim_{(x,y)\to(0,0)}\frac{\sin(xy)}{y}$
点击查看解析
解题思路

注意分子含 $\sin(xy)$,当 $(x,y)\to(0,0)$ 时 $xy\to 0$,故可用等价无穷小 $\sin u\sim u$($u\to 0$)进行替换,但替换后分母还剩 $y$,需进一步分析。

Step 1:当 $y\neq 0$ 时,将分式改写:

$$\frac{\sin(xy)}{y} = \frac{\sin(xy)}{xy}\cdot x$$

Step 2:当 $(x,y)\to(0,0)$ 时,$xy\to 0$,故 $\dfrac{\sin(xy)}{xy}\to 1$(标准极限 $\lim_{u\to 0}\frac{\sin u}{u}=1$)。

Step 3:同时 $x\to 0$,因此:

$$\lim_{(x,y)\to(0,0)}\frac{\sin(xy)}{y} = \lim_{(x,y)\to(0,0)}\frac{\sin(xy)}{xy}\cdot x = 1\cdot 0 = 0$$

亦可直接放缩验证:由于 $|\sin(xy)|\leq |xy|$,故

$$\left|\frac{\sin(xy)}{y}\right|\leq\frac{|x||y|}{|y|}=|x|\to 0$$

由夹逼定理,极限为 $0$。

答案:$0$

技巧:遇到 $\dfrac{\sin(\text{整体})}{y}$ 时,将分子分母凑成 $\dfrac{\sin u}{u}$ 的形式乘以剩余因子,比直接替换更严谨。

课后补充练习

【课后补充1】(配阶路径与放缩综合) 讨论 $\displaystyle\lim_{(x,y)\to(0,0)}\frac{x^2y^2}{x^4+y^4}$ 是否存在。若不存在,给出两条不同极限的路径;若存在,用夹逼法证明。
点击查看解答
解题思路

分母 $x^4+y^4$ 与分子 $x^2y^2$ 都是4次齐次式,故用路径法探测:令 $y=kx$。

Step 1:试路径 $y=kx$($k\neq 0$)

$$\frac{x^2(kx)^2}{x^4+(kx)^4} = \frac{k^2 x^4}{x^4(1+k^4)} = \frac{k^2}{1+k^4}$$

结果仅依赖 $k$,且随 $k$ 变化而变化:$k=1$ 时得 $\dfrac{1}{2}$;$k\to\infty$ 时得 $0$。

Step 2:取两条给出不同值的具体路径

  • 路径 $y=0$:$\dfrac{0}{x^4}=0\to 0$
  • 路径 $y=x$:$\dfrac{x^4}{2x^4}=\dfrac{1}{2}\to\dfrac{1}{2}$

$0\neq\dfrac{1}{2}$,故极限不存在

规律:$\dfrac{x^a y^b}{x^m+y^n}$ 中若 $a+b=m=n$(分子分母同阶齐次),沿 $y=kx$ 代入结果含 $k$,极限依赖路径 → 不存在。

【课后补充2】(连续性判断 + 极坐标证明) 设 $f(x,y)=\begin{cases}\dfrac{x^3+y^3}{x^2+y^2}, &(x,y)\neq(0,0)\\0, &(x,y)=(0,0)\end{cases}$,判断 $f$ 在原点是否连续。
点击查看解答
解题思路

需验证 $\displaystyle\lim_{(x,y)\to(0,0)}\frac{x^3+y^3}{x^2+y^2}$ 是否等于 $f(0,0)=0$。

放缩法:利用 $|x|\leq\sqrt{x^2+y^2}=r$,$|y|\leq r$:

$$\left|\frac{x^3+y^3}{x^2+y^2}\right|\leq\frac{|x|^3+|y|^3}{x^2+y^2}\leq\frac{r^3+r^3}{r^2}=2r\to 0$$

极坐标验证:令 $x=r\cos\theta$,$y=r\sin\theta$,$r\to 0$:

$$\frac{x^3+y^3}{x^2+y^2}=\frac{r^3(\cos^3\theta+\sin^3\theta)}{r^2}=r(\cos^3\theta+\sin^3\theta)$$

由于 $|\cos^3\theta+\sin^3\theta|\leq 2$(有界),故

$$|r(\cos^3\theta+\sin^3\theta)|\leq 2r\to 0$$

极限 $= 0 = f(0,0)$,因此 $f$ 在原点连续

规律:$\dfrac{x^a+y^a}{x^2+y^2}$,若 $a>2$,分子最高阶为 $r^a$,分母为 $r^2$,商 $\sim r^{a-2}\to 0$($a>2$ 时),故极限为 $0$,连续。

【课后补充3】(累次极限与二重极限对比) 设 $f(x,y)=\dfrac{x-y}{x+y}$($x+y\neq 0$)。分别计算:(1) $\displaystyle\lim_{x\to 0}\lim_{y\to 0}f(x,y)$;(2) $\displaystyle\lim_{y\to 0}\lim_{x\to 0}f(x,y)$;(3) 判断二重极限 $\displaystyle\lim_{(x,y)\to(0,0)}f(x,y)$ 是否存在。
点击查看解答
解题思路

分别计算三种极限,展示它们互相独立的本质。

(1) 先 $y\to 0$,再 $x\to 0$

固定 $x\neq 0$,令 $y\to 0$:$\displaystyle\lim_{y\to 0}\frac{x-y}{x+y}=\frac{x-0}{x+0}=1$。

再令 $x\to 0$:$\displaystyle\lim_{x\to 0}1=\boxed{1}$。

(2) 先 $x\to 0$,再 $y\to 0$

固定 $y\neq 0$,令 $x\to 0$:$\displaystyle\lim_{x\to 0}\frac{x-y}{x+y}=\frac{0-y}{0+y}=-1$。

再令 $y\to 0$:$\displaystyle\lim_{y\to 0}(-1)=\boxed{-1}$。

(3) 二重极限

两个累次极限 $1\neq -1$,它们不相等。若二重极限存在,由定理知两个累次极限均应存在且相等,矛盾。故二重极限不存在

亦可直接用路径验证:沿 $y=0$:$\dfrac{x}{x}=1$;沿 $x=0$:$\dfrac{-y}{y}=-1$。两路径极限不同,二重极限不存在。

结论:两个累次极限都存在但不相等 $\Rightarrow$ 二重极限不存在(逆否:二重极限存在 $\Rightarrow$ 若内层极限存在则对应累次极限等于二重极限)。

🎯 期中考试题型总结:多元极限与连续

以下题型覆盖历年期中高频考点,按出题形式和频率排列。掌握每种题型的识别特征 + 标准步骤 + 速解技巧,可有效避免失分。

题型1:判断二重极限是否存在(选择题 ⭐⭐⭐)

识别特征:题目给出 $\displaystyle\lim_{(x,y)\to(0,0)} f(x,y)$ 的形式,选项含"存在/不存在"或给出不同值,函数通常是分式,分子分母次数可能相同(阶数相同时最危险)。

标准步骤

  1. 阶数速判:写成 $\dfrac{x^a y^b}{(x^2+y^2)^{c/2}}$ 的形式,比较 $a+b$ 与 $c$ 的大小:
    • $a+b > c$:极限为 $0$(无需验证,直接写)
    • $a+b = c$:危险!极坐标后含 $\theta$,极限很可能不存在
    • $a+b < c$:极限为 $\infty$,不存在
  2. 分母不同阶时(形如 $x^m + y^n$,$m \neq n$):先试标准路径 $y=0$, $x=0$, $y=x$;再试配阶路径 $y = x^{m/n}$(使分母两项同阶)。
  3. 若所有路径给出同一值:用放缩或极坐标证明极限存在。
  4. 若某两条路径极限不同:直接写"路径 $y=\ldots$ 时极限为 $A$,路径 $y=\ldots$ 时极限为 $B \neq A$,故不存在",得满分。

速解技巧:见到 $\dfrac{xy}{x^2+y^2}$(分子2次,分母2次,同阶)→ 试 $y=kx$ 得 $\dfrac{k}{1+k^2}$(含$k$) → 不存在,秒杀。见到 $\dfrac{x^2y}{x^4+y^2}$(分母次数不同)→ 试 $y=x^2$(配阶)得 $\dfrac{1}{2}$,试 $y=0$ 得 $0$,不同 → 不存在。

易错点:分母为 $x^m+y^n$($m\neq n$)时,不能用阶数速判法,必须配阶路径。例如 $\dfrac{x^2 y^2}{x^2+y^4}$ 中试 $y^2=x$ 才是正确配阶路径。

题型2:计算二重极限(填空题 ⭐⭐)

识别特征:题目要求算出极限的具体数值,通常极限确实存在,函数形式含三角/指数/对数,或者是能放缩为 $0$ 的类型。

标准步骤

  1. 等价无穷小替换($(x,y)\to(0,0)$ 时):$\sin u \sim u$,$e^u-1 \sim u$,$\ln(1+u)\sim u$,$1-\cos u \sim \dfrac{u^2}{2}$,$(1+u)^\alpha-1\sim\alpha u$($u\to 0$)。注意 $u$ 是整体趋于 $0$ 的表达式(如 $x^2+y^2$)。
  2. 放缩 + 夹逼:利用 $|xy|\leq\dfrac{x^2+y^2}{2}$,$|x|\leq\sqrt{x^2+y^2}$,$\dfrac{x^2}{x^2+y^2}\leq 1$ 等;目标是凑出 $|\text{原式}|\leq C\sqrt{x^2+y^2}^k \to 0$。
  3. 极坐标代换:令 $x=r\cos\theta$,$y=r\sin\theta$,$r\to 0$。若化简后结果含 $\theta$ 但可被 $r^k$($k>0$)控制,则极限为 $0$。
  4. 有界 × 无穷小:若 $|g|\leq M$(有界,如 $|\sin\frac{1}{h}|\leq 1$),$f\to 0$,则 $fg\to 0$。
  5. 直接代入:若极限点在初等函数定义域内部,直接代入即可。

速解技巧:$\dfrac{\sin(xy)}{y}$ → 改写为 $\dfrac{\sin(xy)}{xy}\cdot x$ → $1 \times 0 = 0$;$\sqrt{x^2+y^2}\ln(x^2+y^2)$ → 令 $r=\sqrt{x^2+y^2}$,化为 $2r\ln r \to 0$(一元极限)。

易错点:等价无穷小只能在乘除中替换,在加减中随意替换会引入非高阶误差。例如 $\sin(x+y)-(x+y)$ 不能直接令 $\sin(x+y)\sim(x+y)$ 得 $0$,需更仔细估计。

题型3:累次极限与二重极限关系判断(选择题 ⭐⭐)

识别特征:题目给出具体函数,要求比较或判断二重极限、先$x$后$y$、先$y$后$x$ 三种极限的关系,选项常含"存在且相等""存在但不相等""某个不存在"等表述。

标准步骤

  1. 计算先 $y\to y_0$ 的内层极限(固定 $x$):得到关于 $x$ 的函数,再对 $x$ 取极限 → 先$y$后$x$的累次极限。
  2. 计算先 $x\to x_0$ 的内层极限(固定 $y$):得到关于 $y$ 的函数,再对 $y$ 取极限 → 先$x$后$y$的累次极限。
  3. 判断二重极限:用路径法(两条路径极限不同 → 不存在)或放缩法。
  4. 对照唯一定理:二重极限存在 $+$ 内层极限存在 $\Rightarrow$ 对应累次极限 $=$ 二重极限。反向不成立。

速解技巧:先算两个累次极限。若两个累次极限都存在但不相等(如 $\dfrac{x-y}{x+y}$ 得 $1$ 和 $-1$),则二重极限必然不存在(否则两者应相等),无需再验证路径。

易错点:两个累次极限相等不能推出二重极限存在(反例:$\dfrac{xy}{x^2+y^2}$,两累次极限均为 $0$,但二重极限不存在)。三种极限互相独立,仅有单向推导关系。

题型4:分段函数连续性判断(选择/填空 ⭐⭐)

识别特征:函数在分界点(通常为原点)分段定义,题目问"是否连续"或"确定常数使连续"。

标准步骤

  1. 非分界点:若各段都是初等函数,则非分界点自动连续,无需验证。
  2. 在分界点处(设为原点)验证三要素:
    • $f(0,0)$ 有定义(题目已给,通常是某常数 $c$)
    • 计算 $\displaystyle\lim_{(x,y)\to(0,0)} f(x,y)$(用路径法或放缩)
    • 验证极限值是否等于 $f(0,0)=c$
  3. 若题目问"确定参数使连续":令 $\displaystyle\lim_{(x,y)\to(0,0)} f(x,y) = c$,解出 $c$。

速解技巧:判断极限是否为 $0$(最常见情形)时,优先用阶数速判或放缩。若分子次数明显高于分母(如 $\dfrac{x^3+y^3}{x^2+y^2}$,分子3次 $>$ 分母2次),极限为 $0$;极坐标化为 $r(\cos^3\theta+\sin^3\theta)\to 0$,连续成立(当 $f(0,0)=0$)。

易错点:连续性要求二重极限存在且等于函数值,仅验证若干路径极限不够(路径法只能证明不存在,不能证明存在)。必须用放缩或极坐标证明极限存在后,才能断言连续。

考前速记:8.1 一页纸总结
情形判断工具
$\frac{x^ay^b}{(x^2+y^2)^{c/2}}$,$a+b>c$极限 $=0$极坐标阶数速判
$\frac{x^ay^b}{(x^2+y^2)^{c/2}}$,$a+b=c$含 $\theta$,多半不存在试 $y=kx$ 看是否依赖 $k$
分母 $x^m+y^n$($m\neq n$)先试路径再配阶$y=x^{m/n}$ 配阶路径
$f\cdot\sin\frac{1}{g}$有界×无穷小$=0$$|\sin|\leq 1$
两累次极限不等二重极限不存在逆否定理
分段函数连续?算二重极限$=$函数值放缩/极坐标