
$\RR^n$ 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:$d = \sqrt{(x_1-x_2)^2+(y_1-y_2)^2}$
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
设 $P \in \RR^n$,$E \subset \RR^n$:
有界区域:$\exists\,M>0$ 使 $D\subset U(\boldsymbol{0},M)$(区域被一个大球包住)


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 $D\subset\RR^2$。
即:$0 < \sqrt{(x-x_0)^2+(y-y_0)^2} < \delta \;\Rightarrow\; |f(x,y)-A|<\varepsilon$
等价地:$\lim_{(x,y)\to(x_0,y_0)} f(x,y)=A \;\Longleftrightarrow\; \lim_{(x,y)\to(x_0,y_0)}|f(x,y)-A|=0$
方法1:等价无穷小替换(在 $(x,y)\to(0,0)$ 时)
方法2:放缩 + 夹逼
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:$= r^2\cos^2\theta\cdot\frac{r\sin\theta}{r^2} = r\cos^2\theta\sin\theta$,$|r\cos^2\theta\sin\theta|\leq r\to 0$)
(或极坐标:$= \dfrac{r^2\cos\theta\sin\theta}{r} = r\cos\theta\sin\theta$,$|\cdot|\leq r\to 0$)
极限 $= 0$。
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 $= 0$。
注: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。
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
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。

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)
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。
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 $y=x^{4/2}=x^2$。
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。
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。
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。

$f(x,y)$ 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:
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)。
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。
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!
$\left|\dfrac{x^2y}{x^2+y^2}\right| = \dfrac{x^2}{x^2+y^2}\cdot|y| \leq |y| \leq \sqrt{x^2+y^2}\to 0 = f(0,0)$。
二重极限 $= 0 = f(0,0)$,故 $f$ 在原点连续。
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。
| 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 |
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"。
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。
$y=0$:$f=0\to 0$。$y=x^2$:$f=\frac{x^4}{2x^4}=\frac{1}{2}\neq 0$。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。
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。
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:
$0\neq\dfrac{1}{2}$,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。
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。
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)。
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。
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:
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。
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:
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。
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:
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。
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:
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。
| 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 |