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数学分析-多元函数极限与连续

一、基本概念

1.1 总论

我觉得进到多元范畴,有两点是重要的,一个是形式的统一,另一个是条件的强弱形式的统一有两个方面,一个是把新的概念旧的概念解释,一个是将旧的概念,狭义的概念新的概念,普世的概念重新理解,这一部分我做的还可以。条件的强弱做的不够好,在讨论单元函数条件的时候,就没有可以与新学的知识互相启发的可能。条件的强弱是应该有感情的,我在新学的知识的条件方面做的还可以,可以弥补部分基础知识,但是对于高深的知识,比如泰勒,积分在级数方面的应用,就十分不敏感。

1.2 距离

首先应当明确,距离并不是每一个空间的必要特征,但是是进行数学分析的必要特征。定义距离需要内积的概念,内积衍生出了距离角度两个概念。所以其实距离并不是基本概念,但是显然距离才比较与数学分析体系兼容角度只在正交的时候才比较明显。距离在一元函数中表现为绝对值,要注意这种概念的迁移性。

1.3 有界

就是有一个可以把整个集合包进去,球的半径就是刚才定义过的距离

1.4 极限

极限也是很好定义的,就是在一个一定小的开球里,里面的值都是跟某个值的距离任意小。我列于此是想强调,极限是最弱的条件,其上是连续,说的是在一个开球附近的值距离开球圆心的值任意小,它限定了某个值必须是该点的函数值,同时提供了一种求极限的方法,就是代值进函数,因为在一元时,函数基本上都是连续的,所以求极限显得很显然,而且我们还有一大堆好使的工具,比如洛必达、泰勒、等价无穷小。反正就是大概都不会用定义来求极限,但是在多元函数中,洛必达是偏导,而不是微分,所以没法用于极限。泰勒是微分,但是各种项数过多,即使转换成多项式,也很难求极限。等价无穷小倒是在化简函数结构的时候有用,但是基本上十分显然。所以难点其实就是利用定义证明,那么放缩利用条件就是重中之重,也是这全节的难点

1.5 各种点

1.5.1 内点

如果有一个以某一点为球心的一定小的开球包在这个集合中,就称这个点是集合的内点。内点是一定在集合内部的,这也是它姓名的由来。我们管由内点组成的集合叫做开集,开集的补集叫做闭集

1.5.2 边界点

如果有一个以某点为圆心的任意开球中都有这个集合中的点,又有不是这个集合中的点,那么就称这个点是边界点,注意边界点可能属于这个集合,也可能不属于这个集合。我们管由边界点组成的集合叫做集合 $E$ 的边界,记作 $\part E$ 。这种记法需要记忆。

1.5.3 外点

如果有一个以某一点为球心的一定小的开球包在这个集合的补集中,就称这个点是集合的外点。外点一定在集合外部

1.5.4 聚点和孤立点

如果对于一个以某点为球心的任意的空心开球中,都有集合中的点,那么就称这个点为聚点,聚点可以不在集合中,如果一个点在集合中而不是聚点,那么他就是孤立点。也就是说孤立点一定在集合中

1.5.6 各种点的关系

1.6 各种集合

1.6.1 开集和闭集

注意到开集并不等价或者相似于开区间,它更像开覆盖的概念,因为集合并没有要求里面的点必须构成一个整体,它可能是多个范围的并集。

有限多个开集的交是开集,任意多个开集的并是开集。任意多个闭集的交是闭集,有限多个闭集的并是闭集。

1.6.2 区域和道路联通

为了形容我们认知中的一个范围,我们给了区域的概念,它等价于开区间区域的闭包被称为闭区域。注意不是道路联通的闭集。比如

它就不是一个闭区域,这是因为 $xy>0$ 不是一个开区域,因为没办法经过原点,第一三象限就没有办法沟通。

道路联通就是为了形容一个范围引入的概念。

1.6.3 导集

导集是集合 $E$ 所有聚点的集合,因为聚点有可能属于 $E$,也有可能不属于,所以导集有的时候比集合大,有的时候比集合小,比如开集的导集就比原集合大(加了边界点),但是一个点的导集就比原集合小(导集是∅)。

导集一定是闭集。

当导集属于原集合的时候,原集合一定是闭集。

1.6.4 闭包

正因为导集和原集合忽大忽小,所以如果将它们取并,就可以得到一个最大的集合了,也就是闭包闭包的抽象意思大概是由原集合拓展出来的,具有某种性质的集合。所以他一定比原集合大(不小),且具有闭集的性质。

闭包一定是闭集。是建立在前面的导集的性质上的一个显然事实。


二、连续与极限

2.1 总论

还是要强调,极限存在连续导数积分的基础。所有的问题大多转化成极限问题。

2.2 重极限和累次极限

重极限就是不断小的圆盘中确定的值,而累次极限是沿一条线趋于那个点,进而得到那个极限值。重极限累次极限的条件没有强弱之分。这是因为两者都对取极限的过程做出了不同的限制。对于重极限,x和y的变化必须是同时的,是一起的。对于累次极限,必须先把一个定死,这限制了其他的可能,有的甚至办不到,比如函数里面有 $\sin(\frac{1}{x})$ 的结构,在重极限中可以放缩,但是累次极限不可以。

2.3 极限存在和不存在

证明极限存在在前面已经论证过了难度,所以大致的方向一般分为两种。一种是不等式放缩。

可以看得到,代表距离的平方和是在最后的,这为放缩提供了优势,然后一般还会结合三角函数,对于 $\sin x$ 可以放成 x ;对于 $\sin(\frac{1}{x})$ ,可以放成 1。这样就可以处理一般的题目了。

还有一种方法是极坐标代换,只要里面的 $\theta$ 不影响极限值,就可以证明极限存在。

对于证明极限不存在,总的思路是这样的,沿某个方向去取极限(不一定是直线,还可以是曲线),发现极限不存在或者两个极限不存在。

对于证两个极限不同,对于分子是乘积形式的,有一个极限肯定是0,在代一个 $y=x^a$ 使得分子和分母最低次数相等,比如

可以代 $y=x^{\frac{1}{2}}$ 虽然有违我的本意,但是好像现在证出极限不存在来了。

也可以用 $y=kx$ 就可以证出一些问题,也可以用极坐标代换,实在不行在构造多项式。