我们已经见过极限的形式化定义:思考当函数的输入越来越接近某个点时,函数值会趋近于哪个数值。但这在实践中到底是什么含义呢?让我们建立一些直观认识。想象一下,您正在观察一个函数的图表,例如简单的线性函数 $f(x) = 2x + 1$。极限可以理解为在问:“如果我用手指沿着图表描绘,当输入值(比如 $x=3$)极其接近某个点时,我的手指在垂直轴(即 $f(x)$ 值)上看起来会指向何处?”让我们以 $f(x) = 2x + 1$ 为例,当 $x$ 趋近于 3 时,进行尝试。我们不是在问 $f(3)$ 究竟是多少(尽管在这个简单情形下,它是 $2(3) + 1 = 7$)。相反,我们是在查看 $x=3$ 周围的“邻域”。考虑略微 小于 3 的 $x$ 值:如果 $x = 2.9$,那么 $f(x) = 2(2.9) + 1 = 5.8 + 1 = 6.8$如果 $x = 2.99$,那么 $f(x) = 2(2.99) + 1 = 5.98 + 1 = 6.98$如果 $x = 2.999$,那么 $f(x) = 2(2.999) + 1 = 5.998 + 1 = 6.998$现在,考虑略微 大于 3 的 $x$ 值:如果 $x = 3.1$,那么 $f(x) = 2(3.1) + 1 = 6.2 + 1 = 7.2$如果 $x = 3.01$,那么 $f(x) = 2(3.01) + 1 = 6.02 + 1 = 7.02$如果 $x = 3.001$,那么 $f(x) = 2(3.001) + 1 = 6.002 + 1 = 7.002$注意到规律了吗?当 $x$ 从任一侧越来越接近 3 时,输出值 $f(x)$ 越来越接近 7。这个值 7 就是函数 $f(x) = 2x + 1$ 当 $x$ 趋近于 3 时的极限。我们将其数学表示为:$$ \lim_{x \to 3} (2x + 1) = 7 $$下图有助于直观地显示这一点。当我们在直线上选取越来越接近 $x=3$ 的垂直线的点时,函数上对应的点会越来越接近高度 $y=7$。{ "layout": { "title": "逼近极限:x=3 附近的 f(x) = 2x + 1", "xaxis": { "title": "x", "range": [2.5, 3.5] }, "yaxis": { "title": "f(x)", "range": [6, 8] }, "showlegend": false, "template": "plotly_white" }, "data": [ { "x": [2.5, 3.5], "y": [6, 8], "mode": "lines", "name": "f(x) = 2x + 1", "line": { "color": "#228be6" } }, { "x": [2.9, 2.99, 3.01, 3.1], "y": [6.8, 6.98, 7.02, 7.2], "mode": "markers", "name": "趋近 x=3 的点", "marker": { "color": "#f76707", "size": 8 } }, { "x": [3], "y": [7], "mode": "markers", "name": "极限点 (x=3, y=7)", "marker": { "color": "#fa5252", "size": 10, "symbol": "x" } } ] }当输入值 x 从左侧(如 2.9, 2.99)和右侧(如 3.1, 3.01)都越来越接近 3 时,输出值 f(x) 越来越接近 7。极限描述的就是这个目标值 7。这个定义中重要的一点是“逼近一个值,但不一定达到它”。对于许多简单的函数,例如 $f(x) = 2x + 1$,当 $x$ 趋近于点 $a$ 时,极限就是函数在该点的值 $f(a)$。然而,极限的这个想法更具普适性。它使我们能够分析函数行为,即使在函数可能未定义的点上(比如图表上有一个“洞”,尽管我们在这里不会特别关注这些复杂情况)。极限关注的是当输入任意接近某个特定值时,函数输出的 趋势。为什么要花时间在“逼近”这个想法上呢?因为它构成理解导数的根本,导数衡量的是 瞬时 变化率。我们需要无限接近一个点的想法,才能讨论 在该点 的斜率或变化。我们会在下一章清楚地看到这种联系。