在讨论导数所表示的瞬时变化率之前,我们需要一种方法来描述函数值在其输入非常接近某个点(不一定达到该点)时的表现。这就是极限的理念。可以把它想成是无限放大图上的一个点,观察函数趋向何处。设有一个函数 $f(x)$。我们想了解当 $x$ 趋近某个值 $a$ 时,$f(x)$ 的行为。我们关注的是当 $x$ 从两侧(小于 $a$ 的值和大于 $a$ 的值)越来越接近 $a$ 时,$f(x)$ 越来越接近的值,但 $x$ 不一定等于 $a$ 本身。形式化这个思想:极限数学上,我们称 $f(x)$ 当 $x$ 趋近 $a$ 时的极限为 $L$,记作:$$ \lim_{x \to a} f(x) = L $$这个表述意味着,我们可以通过选取足够接近 $a$ 但不等于 $a$ 的 $x$,使 $f(x)$ 的值任意接近 $L$。即使函数在 $x=a$ 处没有定义,极限也可能存在。这一点很重要。极限描述的是点附近的趋势,而不是点本身的值。我们来看一个例子。考虑函数:$$ f(x) = \frac{x^2 - 1}{x - 1} $$当 $x$ 趋近 1 时会发生什么?如果我们尝试代入 $x=1$,我们会得到 $\frac{1^2 - 1}{1 - 1} = \frac{0}{0}$,这是未定义的。然而,对于 $x \neq 1$,我们可以简化函数:$$ f(x) = \frac{(x-1)(x+1)}{x-1} = x+1 \quad (\text{对于 } x \neq 1) $$现在,当 $x$ 非常接近 1 时(例如 0.9, 0.99, 0.999 或 1.1, 1.01, 1.001),$f(x)$ 的值非常接近 $1+1=2$。即使 $f(1)$ 未定义,极限仍然存在:$$ \lim_{x \to 1} \frac{x^2 - 1}{x - 1} = 2 $${ "data": [ { "x": [-1, 0, 0.5, 0.8, 0.9, 0.99, 1.01, 1.1, 1.5, 2, 3], "y": [0, 1, 1.5, 1.8, 1.9, 1.99, 2.01, 2.1, 2.5, 3, 4], "mode": "lines+markers", "type": "scatter", "name": "f(x) = x+1", "line": {"color": "#228be6"}, "marker": {"color": "#228be6", "size": 6} }, { "x": [1], "y": [2], "mode": "markers", "type": "scatter", "name": "未定义点 (空心)", "marker": {"color": "#fa5252", "size": 10, "symbol": "circle-open"} } ], "layout": { "title": "函数 f(x) = (x^2 - 1) / (x - 1) 的图示", "xaxis": {"title": "x", "range": [-1.5, 3.5], "zeroline": false}, "yaxis": {"title": "f(x)", "range": [-0.5, 4.5], "zeroline": false}, "showlegend": true, "legend": {"yanchor":"top", "y":0.99, "xanchor":"left", "x":0.01}, "margin": {"l": 40, "r": 20, "t": 60, "b": 40}, "height": 350 } }函数 $f(x) = (x^2 - 1) / (x - 1)$ 的行为与 $f(x) = x+1$ 完全一致,除了在 $x=1$ 处未定义(由空心圆表示)。当 $x$ 趋近 1 时,极限是 2,这表示函数在“空心”点附近趋近的 y 值。单侧极限有时,我们可能只关注当 $x$ 从某个特定方向趋近 $a$ 时发生的情况:左极限: $x$ 通过小于 $a$ 的值趋近 $a$。记作 $\lim_{x \to a^-} f(x)$。右极限: $x$ 通过大于 $a$ 的值趋近 $a$。记作 $\lim_{x \to a^+} f(x)$。为了使总极限 $\lim_{x \to a} f(x)$ 存在并等于 $L$,左极限和右极限都必须存在且等于 $L$。为什么极限对导数很重要极限的理念是构建导数定义的根基。如章节引言中所述,导数衡量的是瞬时变化率,本质上是一个函数在单个点的斜率。我们如何找到单个点的斜率?我们首先找到连接函数曲线上两点(割线)的直线的斜率。然后,我们使用极限的理念使其中一个点无限接近另一个点。当点之间的距离趋近于零时,这些割线斜率的极限,就是该单个点处切线的斜率。这个取极限的过程正是导数的定义所在,我们将在下一节正式定义它。理解极限使我们能够将“区间上的平均变化率”转换为“点上的瞬时变化率。