[高等数学]解析一道关于函数极限的概念考察题(001)

原文: https://zhaokaifeng.com/?p=1935

题目

下列命题中正确的是（）

( A ) 若 ${\lim }_{x\to x_0}f(x)⩾{\lim }_{x\to x_0}g(x)$, 则 $\exists \epsilon >0$, 当 $0<|x-x_0|<\epsilon$ 时，$f(x)⩾g(x)$.

( B ) 若 $\exists \epsilon >0$, 当 $0<|x-x_0|<\epsilon$ 时，$f(x)>g(x)$, 且 ${\lim }_{x\to x_0}f(x)=A_0,{\lim }_{x\to x_0}g(x)=B_0$, 则 $A_0>B_0$.

( C ) 若 $\exists \epsilon >0$, 当 $0<|x-x_0|<\epsilon$ 时，$f(x)>g(x)$, 则 ${\lim }_{x\to x_0}f(x)⩾{\lim }_{x\to x_0}g(x)$.

( D ) 若 ${\lim }_{x\to x_0}f(x)>{\lim }_{x\to x_0}g(x)$, 则 $\exists \epsilon >0$, 当 $0<|x-x_0|<\epsilon$ 时，$f(x)>g(x)$.

解析

概念考察题是考研数学中一类比较难的题，这类题的难点在于除了紧抠概念之外，解答者没有多少可以自由发挥的空间。而且，概念考察题考察的都是概念的细微之处，一不留神就可能审错题。

从本题的四个选项可以看出，本题考查的着重点在函数极限这一部分。更细致的来看，本题考查了函数极限的定义中当 $x\to x_0$ 时的极限的定义，如下：

已知 ${\lim }_{x\to x_0}f(x)=A$

任给 $\epsilon >0$, 存在正数 $\delta$, 当 $0<x-x_0<\delta$ 时，就有 $|f(x)-A|<\epsilon$.

注：上面这个定义说的通俗一点就是，当 $x$ 与 $x_0$ 足够接近的时候，$f(x)$ 与 $f(x)$ 的极限 $A$ 也足够接近。

本题还考察了函数极限的性质中的“保号性”，如下：

设 $\lim f(x)=A>0$, 则在极限管辖的范围内，$f(x)>0(f(x)>\frac{A}{2})$.

反之，$f(x)>0$ 且 $\lim f(x)=A\Rightarrow A⩾0$.

注：当 $x\to x_0$ 时，“极限管辖的范围”指的就是 $x_0$ 的去心邻域；当 $x\to \infty$ 时，“极限管辖的范围”指的就是无穷远处。

对于函数极限的性质中的保号性，我们需要明确以下几点：

• 解答保号性问题的大前提是“涉及到的函数的极限均存在”，这也是解决所有涉及极限的问题的大前提：要研究和利用极限，则极限必须存在；

• 保号性都是局部保号性，即只有在极限管辖的范围内才存在保号性；

• 由极限大于 $0$ 可以推出函数大于 $0$, 不能推出函数等于 $0$ 或者函数小于 $0$. 由函数大于 $0$ 可以推出极限大于 $0$ 或者极限等于 $0$, 而且在不确定极限究竟是只大于 $0$ 还是只小于 $0$ 的情况下，要写成极限大于等于 $0$ 的形式。

以下是对本题中每一个选项的分析。

A 选项

该选项给出了：

${\lim }_{x\to x_0}f(x)⩾{\lim }_{x\to x_0}g(x)$

这说明 $f(x)$ 和 $g(x)$ 的极限都存在（满足了研究极限问题的大前提，条件可用，可以继续接下来的思考步骤）且 $f(x)$ 的极限大于等于 $f(x)$ 的极限。

于是，我们有：

${\lim }_{x\to x_0}(f(x)-g(x))⩾0$

接下来选项给出了：

若 $\exists \epsilon >0$, 当 $0<|x-x_0|<\epsilon$ 时

这说明我们是要在“函数极限的管辖范围内”讨论这个选项的说法，具备使用保号性的前提，条件可用，可以继续接下来的思考步骤。

该选项接下来指出，由上面的条件可以推出 $f(x)⩾g(x)$.

这个结论是不对的。原因如下：

若函数 $f(x)$ 的极限 $A>0$, 则可以推出函数 $f(x)>0$;

若函数 $f(x)$ 的极限 $A<0$, 则可以推出函数 $f(x)<0$;

若函数 $f(x)$ 的极限 $A=0$, 则不能确定函数 $f(x)$ 是大于 $0$, 小于 $0$ 还是等于 $0$. 原因是，如果 $A=0$ 我们不知道函数 $f(x)$ 是在大于 $0$ 的方向上趋近于极限 $A$, 还是在小于 $0$ 的方向上趋近于极限 $A$, 抑或 $f(x)=0$.

如图 1 所示，当函数的极限等于 $0$ 时，函数可能是大于 $0$ 的：

图 1. y=1/x 的局部图像，使用 www.desmos.com 生成

如图 2 所示，当函数的极限等于 0 时，函数也可能是小于 $0$ 的：

图 2. y=1/(-x) 的局部图像，使用 www.desmos.com 生成

第三种情况，当函数的极限等于 $0$ 时，函数可能也是等于 $0$ 的，如图 3 所示：

图 3. y=0 的局部图像，使用 www.desmos.com 生成

因此，已知极限 ${\lim }_{x\to x_0}[f(x)-g(x)]⩾0$, 并不能推导出函数 $F(x)=[f(x)-g(x)]⩾0$.

综上可知，选项 A 是错误的。

B 选项

题目中给出了如下条件：

若 $\exists \epsilon >0$, 当 $0<|x-x_0|<\epsilon$ 时

因此，本题符合函数极限保号性的使用条件，条件可用，可以继续接下来的思考步骤。

接着，该选项给出：

$f(x)>g(x)$

于是，当我们令 $F(x)=f(x)-g(x)$ 时，可以得出如下结论：

$F(x)>0$

接着，该选项又给出：

${\lim }_{x\to x_0}f(x)=A_0,{\lim }_{x\to x_0}g(x)=B_0$

这说明函数 $f(x)$ 和函数 $g(x)$ 都是存在极限的，符合我们研究函数极限问题的大前提，条件可用，可以继续接下来的思考步骤。

最后，该选项给出了他的结论：

$A_0>B_0$

有了这个结论，结合前面的条件，我们可以把该选项改写成如下形式：

已知函数 $F(x)$ 存在极限，且函数 $F(x)>0$, 则 ${\lim }_{x\to x_0}F(x)>0$.

这个结论显然是错误的，因为已知函数大于 $0$ 的时候，其极限是可能等于 $0$ 的，例如对 A 选项的解析中给出的图 1, 函数 $f(x)=\frac{1}{x}$ 始终是大于 $0$ 的，但是其极限却是等于 $0$ 的。

综上可知，选项 B 是错误的。

C 选项

该选项的错误比较明显，因为选项中没有指明函数 $f(x)$ 和函数 $g(x)$ 的极限存在，缺少了研究极限问题的大前提，那么，接下来的所有说明和结论都是没有根据也没有意义的。不过，如果 C 选项像 B 选项一样指明函数 $f(x)$ 和函数 $g(x)$ 的极限是存在的，那么该选项的表述就是正确的，原因在 B 选项中已经分析过。

综上可知，选项 C 是错误的。

D 选项

该选项首先给出了如下条件：

${\lim }_{x\to x_0}f(x)>{\lim }_{x\to x_0}g(x)$

若我们令 $F(x)=f(x)-g(x)$, 则上面的条件可以改写成：

${\lim }_{x\to x_0}F(x)>0$

接着选项给出了：

若 $\exists \epsilon >0$, 当 $0<|x-x_0|<\epsilon$ 时

这说明我们是要在“函数极限的管辖范围内”讨论这个选项的说法，具备使用保号性的前提，条件可用，可以继续接下来的思考步骤。

接着，该选项给出了它的结论：

$f(x)>g(x)$

根据前面的分析可知，我们可以将此改写成：

$F(x)>0$

我们知道，当一个函数的极限存在且大于 $0$ 的时候，在函数极限的管辖范围内，可以推导出该函数也大于 $0$.

综上可知，选项 D 是正确的。

EOF