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$\开始组$

我刚开始学习多变量函数,我有一个关于函数极限存在性的完整证明的问题。以函数$$f(x,y)=\frac{x^3y}{x^2+y^2}$$为例这个函数在$(x,y)=(0,0)$中有一个极限,我必须证明它

所以根据我的理解,当函数从每一条可能的路径接近$(0,0)$时,我必须检查函数的行为。首先,我检查了$x=0$和$y=0$情况下的琐碎限制,这两种情况都像预期的那样使用了结果$0$。然后,我通过设置$x=at$和$y=bt$(a和b永远都不等于$0$)来测试限制$$\lim_{t\to0}f(x(t),y(t))$$,尝试从每一条不同的原点线$y=kx$获得$t\in(0,1]$。在这一点上,我不认为我已经涵盖了$f$到$(x,y)=(0,0)$点的每一种方法,即使我已经涵盖,我认为为了完成证明,我还必须提到极限的定义,对此我对多变量函数完全不熟悉,但我认为对于这个示例,它是这样的:

因为对于每一个$ε>0$都有一个$δ>0$,所以对于每个$(x,y)$和$0<||(x,y)-(0,0)||<δ$,则$|f(x,y-)-0|<ε$存在极限。

任何想法或见解都会非常有用。

$\端组$
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    $\开始组$ 如果你想证明这样一个极限的存在,那就忘掉路径吧。如果您想证明限制确实存在,可以使用路径存在。 $\端组$ 评论 2018年8月7日9:24

2个答案2

重置为默认值
$\开始组$

在此类问题中,我发现最简单的解决方法之一是:

1) 在关注点周围相应尺寸的球坐标中重写函数。在你的例子中,我们有两个变量,所以我们可以用极坐标$x=r\cos\theta,y=r\sin\theta$来写这个函数,然后这个函数变成$f(x=r\cos\theta,y=r\sin\ttheta)=g(r,\theta)=r^2\sin\theta \theta$。

这样做之所以有用,是因为极限在两个以上维度的定义要求ε定义保持在围绕兴趣点。以球坐标表示的参数化可以很好地减少证明语句的限制:

“对于每个$ε>0$,都有一个$δ>0$。因此对于每个$(x,y)$,其中$0<r<δ$,然后$|f(r\cos\theta,r\sin\theta)-0|<ε$”

如果存在极限,可以使用一维极限参数来处理。

2) 在您的情况下,可以按照以下方式完成证明:

假设$0<r<\sqrt{\epsilon}$。

然后$|g(r,\theta)|=r^2|\sin\theta||\cos\theta|^3<\epsilon$,因为$\sin\theta|,|\cos\theta|<1$

因此:$\lim{(x,y)\rightarrow(0,0)}f(x,y)=\lim_{r\rightarror0}g(r,\theta)=0$

$\端组$
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    $\开始组$ 这真的是一个很好的方法。非常感谢分享。 $\端组$ 评论 2018年8月7日17:13
  • $\开始组$ 它是!它可以把你喜欢的每一个多变量极限放在一边。它非常实用,而且是半严格的。 $\端组$ 评论 2018年8月7日17:20
  • $\开始组$ 它的实际应用令人惊讶,但我认为当多变量函数的公式中包含$sin(x),cos(x)$或$sin? $\端组$ 评论 2018年8月7日22:05
  • $\开始组$ 为什么会这样?确定极限的过程完全相同。球坐标取极限值$r\rightarrow 0$后,如果剩余表达式依赖于任何角度,则极限值不存在,否则它存在! $\端组$ 评论 2018年8月7日22:12
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$\开始组$

首先让我给你一个函数极限的定义。我将尝试用它来实现一些通用性,所以让$(M,d_M),(N,d_N)$是度量空间(如果您愿意,您可以考虑$\mathbb{R}^2$或$\mathbb{R{$,使用规范$|\cdot||_2$和$|\cdot|$导出的常规度量):

定义:设$f:M\到N$,$x_0$为N$中$M$,$a\的极限点。然后$$\lim_{x\到x_0}f(x)=a$$如果$\lip_{n\to\infty}f(x_n)=每个序列的$(x_n)_{n\inmathbb{n}$在$M\setminus\{x_0\}$s.t.$\lim到infty{x_n=x_0$。

这是限额的$\epsilon$-$\delta$-标准的替代公式,即与此等价。另一个用途是简化空间$\mathbb{R}^n$中序列的收敛性:

定理:设$v_k=(x_1^{(k)},\dots,x_n^{$(v_k)_{k\in\mathbb{N}}$收敛,当每$(x_i^{(k)})_{k\in\mathbb{N}}$收敛,$$\lim_{k\ to \infty}v_k=\begin{pmatrix}\lim_{k\ to \infty}x_1^{(k)}\\vdots\\lim_{k\ to \infty}x_N^{(k)}\end{pmatrix}$$

换句话说,$\mathbb{R}^n$中的序列收敛,当每个坐标序列都收敛时,并且极限是可计算的。(我现在不证明这一点,但如果您想亲自尝试,一个简单的方法是首先显示$\mathbb{R}^n$上的每个范数都是等价的,然后为这个问题选择一个合适的范数(提示:$\infty$-norm))


现在,让我们来解决您的问题,并评估$$\lim_{(x,y)\to(0,0)}f(x,y)=\lim_{(x,y)\to(0,0)}\frac{x^3y}{x^2+y^2}$$

我们必须证明,对于每个收敛到$(0,0)$的序列$(v_n)_{n\in\mathbb{n}}$in$\mathbb{R}^2\setminus\{(0,O)\}$真实的序列$(f(v_n)){n\in\mathbb{n}}$收敛到相同的极限。这个极限就是函数在该点的极限。

设$(v_n)_{n\in\mathbb{n}}$是$\mathbb{R}^2\setminus\{(0,0)\}$s.t.$\lim_{n\to\infty}v_n=(0,零)$中的一个序列。然后如上所述,对于$v_n=(x_n,y_n)$,$\lim_{n\to\infty}x_n=0$和$\lim _{n\to \infty}y_n=0$。注意,这些限制现在发生在$\mathbb{R}$上。

现在,对于任何$n\in\mathbb{n}$s.t.$x_n\neq0$,我们都有

$$|f(v_n)|=|\压裂{x_n^3y_n}{x_n ^2+y_n^2}|=\压裂{|x_n|x_n^2|y_n|}{xn ^2+y_n^2{leq\压裂{|x_n |xn ^2 |y_n |}{x_n^2}=|x_ny_n|$$

如果$x_n=0$,那么无论如何$|f(v_n)|=0\leq|x_ny_n|$。因此$|f(v_n)|\leq|x_ny_n|$f.a.$n\in\mathbb{n}$。由于$\lim_{n\to\infty}y_n=0$和$\lim _{n\to \infty}x_n=0$s,我们有$\lim2 _{n\ to \inffy}|x_ny_n|=0$,因此通过Sandwich-Theorem和

$$0\leq|f(v_n)|\leq| x_ny_n|$$

我们导出$\lim{n\to\infty}|f(vn)=0$,即$\lim{n\to\ infty{f(vn=0$。

由于这个序列$(v_n)_{n\in\mathbb{n}}$是任意的,所以我们得到$\lim_{(x,y)\to(0,0)}f(x,y)=0$。


最后,我想指出的是,通过考虑每个可能收敛到某一点的序列,这种方法非常符合你的直觉,即考虑通向这一点的每一条可能的路径,特别是在更高的维度中,你真的可以自由地走一条路径有一个序列。

编辑:注意,在计算极限时,我使用了很多经典的一维实数分析中的概念,因为我们正在研究一个进入$\mathbb{R}$的函数。例如,我使用$$\lim_{n\to\infty}a_n=0\text{iff}\lim_a_n=0$$来表示实数序列$(a_n)$以及Sandwich-Theorem,即。

定理:如果$(a_n){n\in\mathbb{n}},(b_n)_{n\in \mathbb{n},,(c_n _{n\to\infty}a_n=lim_{n\t到infty{c_n$,然后$$lim_}b_n=lim到infty$$

这当然很大程度上依赖于现实的秩序。但即使在一般情况下,我个人也发现简化为序列是一种可以理解的方法。注意,恐龙蛋也有很好的方法来解决这个问题,在哪里一定要看一看。

EDIT2(编辑2):正如马克·维奥拉指出的那样,每一条可能的路径是一个非常笼统的语句,根本没有在$xn$和$yn$之间强加关系。您可以特别正式地观察到,对于$((x_n,y_n))_{n\in\mathbb{n}}$的收敛,坐标收敛是必要的和充分的分别地.

$\端组$
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  • $\开始组$ 您可以考虑澄清,“每一条可能的路径”并不意味着$x$和$y$之间存在“良好的”平滑函数关系。 $\端组$ 评论 2018年8月7日2:24
  • $\开始组$ 哦,当然可以,谢谢你。我会把这个加到我的答案中。 $\端组$
    – 蓝色
    评论 2018年8月7日8:07
  • $\开始组$ (+1)文章写得好、透彻。做得好! $\端组$ 评论 2018年8月7日13:05
  • $\开始组$ 非常感谢,我已经试着对形势做了一个很好的概述。 $\端组$
    – 蓝色
    评论 2018年8月7日13:06
  • $\开始组$ 不客气。 $\端组$ 评论 2018年8月7日13:07

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