函数描述了输入和输出之间的关系,比如 $y = f(x)$。微积分的一个基本思想是极限。极限帮助我们了解函数在特定输入值附近的表现。想象一下,你正沿着一条路走向一个特定点。极限就像在问:“当我极其靠近那个点时,即使我没有真正踩到那个确切位置,我看起来会到达哪里?”为什么是“接近”?有时,我们只需将输入值代入函数即可看到输出。如果我们有 $f(x) = x + 2$,想知道 $x=3$ 时会发生什么,我们计算 $f(3) = 3 + 2 = 5$。这很简单。但如果函数在我们感兴趣的特定点未定义怎么办?或者我们想了解函数在那个点周围的趋势或动向怎么办?这时极限就变得必不可少。它们让我们能够分析函数在趋近某个值时的表现,而不论那个值恰好发生什么。趋近一个值:一个例子我们继续使用简单的函数 $f(x) = x + 2$。我们已经知道 $f(3) = 5$。但我们假装不知道这一点,而是看看当 $x$ 越来越接近 3 时,$f(x)$ 会趋近什么值。我们可以尝试略小于 3 的 $x$ 值:如果 $x = 2.9$,那么 $f(x) = 2.9 + 2 = 4.9$如果 $x = 2.99$,那么 $f(x) = 2.99 + 2 = 4.99$如果 $x = 2.999$,那么 $f(x) = 2.999 + 2 = 4.999$以及略大于 3 的值:如果 $x = 3.1$,那么 $f(x) = 3.1 + 2 = 5.1$如果 $x = 3.01$,那么 $f(x) = 3.01 + 2 = 5.01$如果 $x = 3.001$,那么 $f(x) = 3.001 + 2 = 5.001$注意到规律了吗?当 $x$ 越来越接近 3(从任意一侧)时,输出 $f(x)$ 越来越接近 5。我们称之为“函数 $f(x) = x + 2$ 当 $x$ 趋近 3 时的极限是 5。”在数学记号中,我们写成: $$ \lim_{x \to 3} (x + 2) = 5 $$ 让我们分解一下这个记号:$\lim$ 表示我们正在求极限。$\lim$ 下方的 $x \to 3$ 表示“当输入 $x$ 趋近值 3 时”。$(x + 2)$ 是我们正在考察的函数。$= 5$ 说明函数趋近的值。当函数存在“空心点”时当函数在某个点有间隙或未定义时,极限的实际作用就凸显出来了。思考函数: $$ g(x) = \frac{x^2 - 1}{x - 1} $$ 如果我们尝试代入 $x = 1$ 会发生什么?我们会得到 $\frac{1^2 - 1}{1 - 1} = \frac{0}{0}$,这是未定义的。不允许除以零。因此,$g(1)$ 不存在。然而,对于 $x$ 不等于 1 的值,我们可以代数简化这个函数。因为 $x^2 - 1 = (x - 1)(x + 1)$,所以我们有: $$ g(x) = \frac{(x - 1)(x + 1)}{x - 1} = x + 1, \quad \text{条件是 } x \neq 1 $$ 因此,$g(x)$ 的图像看起来完全像 $f(x) = x + 1$ 的图像,只是在 $x=1$ 的点上有一个“空心点”。让我们问问:当 $x$ 趋近 1 时,$g(x)$ 的极限是多少?我们可以使用简化形式 $x+1$,因为极限只关注 接近 $x=1$ 的值,而非 在 $x=1$ 处的值。让我们检查接近 $x=1$ 的值:如果 $x = 0.9$,那么 $g(x) = 0.9 + 1 = 1.9$如果 $x = 0.99$,那么 $g(x) = 0.99 + 1 = 1.99$如果 $x = 1.1$,那么 $g(x) = 1.1 + 1 = 2.1$如果 $x = 1.01$,那么 $g(x) = 1.01 + 1 = 2.01$当 $x$ 任意接近 1 时,$g(x)$ 任意接近 2。尽管 $g(1)$ 未定义,但极限存在。我们写成: $$ \lim_{x \to 1} \frac{x^2 - 1}{x - 1} = 2 $$这是函数 $g(x) = \frac{x^2 - 1}{x - 1}$ 的可视化图像,它表现得像 $y = x+1$,但在 $x=1$ 处有一个空心点。{"data": [{"x": [0, 0.5, 0.8, 0.9, 0.99, 1.01, 1.1, 1.5, 2], "y": [1, 1.5, 1.8, 1.9, 1.99, 2.01, 2.1, 2.5, 3], "mode": "lines", "type": "scatter", "name": "g(x)", "line": {"color": "#228be6"}}, {"x": [1], "y": [2], "mode": "markers", "type": "scatter", "name": "未定义点", "marker": {"color": "#ffffff", "size": 10, "symbol": "circle-open", "line": {"color": "#fa5252", "width": 2}}}], "layout": {"title": "函数 g(x) 在 x=1 处存在空心点", "xaxis": {"title": "x", "range": [0, 2]}, "yaxis": {"title": "g(x)", "range": [0.5, 3.5]}, "showlegend": false, "margin": {"l": 40, "r": 20, "t": 40, "b": 40}, "hovermode": "closest"}}函数 $g(x) = (x^2 - 1) / (x - 1)$ 的图像是直线 $y = x + 1$,但在点 $(1, 2)$ 处移除了一个点,由空心圆圈表示。当 $x$ 趋近 1 时的极限是函数趋近的 y 值,即 2。核心思想总结如果我们能通过选择足够接近 $c$(但不真正等于 $c$)的输入 $x$,使得函数 $f(x)$ 的输出任意接近 $L$,那么当 $x$ 趋近某个值 $c$ 时,函数 $f(x)$ 的极限 $L$ 就存在。即使函数不需要在 $c$ 处定义,极限也可以存在。这种“任意接近”的思想为导数思想奠定了基础。导数,正如我们将在下一章看到的那样,衡量瞬时变化率,而极限提供了定义这种“瞬时”行为的数学方法。了解极限为我们理解函数如何变化提供了依据,这对于优化机器学习模型非常重要。