求二元函数极限的几种方法二元函数极限定理

1 / 151.二元函数极限概念分析定义1 设函数f 在2D R ⊂上有定义,0P 是D 的聚点,A 是一个确定的实数.如果对于任意给定的正数ε，总存在某正数δ,使得00(;)P U P D δ∈时,都有 ()f P A ε-<,则称f 在D 上当0P P →时，以A 为极限,记0lim ()P P P Df P A →∈=.上述极限又称为二重极限．２.二元函数极限的求法2.1 利用二元函数的连续性命题 若函数(,)f x y 在点00(,)x y 处连续，则0000(,)(,)lim(,)(,)x y x y f x y f x y →=．例１ 求2(,)2f x y x xy =+ 在点(1,2)的极限. 解： 因为2(,)2f x y x xy =+在点(1,2)处连续,所以122122lim (,)lim(2)12125.x y x y f x y x xy →→→→=+=+⨯⨯=例2 求极限()()221,1,21limy x y x +→.解: 因函数在()1,1点的邻域内连续,故可直接代入求极限,即()()221,1,21limy x y x +→=31.2 / 152．2 利用恒等变形法将二元函数进行恒等变形,例如分母或分子有理化等. 例3 求00x y →→解: 00x y →→00x y →→=0x y →→=001.4x y →→==-例4 ()()22220,0,321)31)(21(lim yx y x y x +-++→．解:原式()()())()(),0,02211lim231x y xy →=+()(22,0,0limx y →=+11022=+=．2.3 利用等价无穷小代换一元函数中的等价无穷小概念可以推广到二元函数．在二元函数中常见的等价无穷小((,)0)u x y→,有sin(,)(,)u x y u x y;2(,)1cos(,)2u x yu x y-;[]ln1(,)(,)u x y u x y+；tan(,)(,)u x y u x y;arcsin(,)(,)u x y u x y；arctan(,)(,)u x y u x y(,)1u x yn;(,)1(,)u x ye u x y-；同一元函数一样,等价无穷小代换只能在乘法和除法中应用.例５求xy→→解: 当x→,0y→时，有0x y+→11()2x y+，所以1()2lim1.2xyxyx yx y→→→→+=+=这个例子也可以用恒等变形法计算,如:1.2xyxyxy→→→→→→===3 / 154 / 152.4 利用两个重要极限(,)0sin (,)lim 1(,)u x y u x y u x y →=，[]1(,)(,)0lim 1(,)u x y u x y u x y e →+= 它们分别是一元函数中两个重要极限的推广．例6 求极限 21lim(1)x x yx y axy+→∞→+．解: 先把已知极限化为22()11lim(1)lim (1)x x xy x y xy x yx x y ay a xy xy ++→∞→∞→→⎡⎤+=+⎢⎥⎣⎦，而 211limlim ,()(1)x x y a y a x y xy x y ay x→∞→∞→→==++ 当 ,x y a →∞→时1,0xy xy →∞→,所以 1lim(1).xy x y ae xy →∞→+=故原式=2()11lim (1).x xy x y xy xy a axy e +→∞→⎡⎤+⎢⎥⎣⎦=例７ 求 0sin()limx y axy x →→极限.解: 因为sin()sin().xy xy y x xy=，当0,x y a →→时，0xy →,所以 sin()1xy xy→,再利用极限四则运算可得： 000sin()sin()sin()limlim .lim .lim .x x y a xy y a y axy xy xy y y a x xy xy →→→→→→===·1＝a ．这个例子也可以用等价无穷小代换计算,如: 当 0x →,y a →时，0xy → ,sin()xy xy ．5 / 15所以， 00sin()limlim lim .x x y a y a y axy xyy a x x →→→→→===２.5 利用无穷小量与有界量的乘积仍为无穷小量的结论例8 求0011)sin cos x y y x y →→解: 因为00)0x y y →→= 是无穷小量, 11sin cos 1x y ≤ 是有界量 ，故可知，0011)sin cos 0.x y y x y →→=例9 求 22232(3)(2)lim (3)(2)x y x y x y →→---+-解 原式=2232(3)(2)lim(3)(3)(2)x y x y x x y →→--⋅--+-因为 222222(3)(2)(3)(2)1(3)(2)22(3)(2)x y x y x y x y ---+-≤=-+-⎡⎤-+-⎣⎦ 是有界量，又 32lim(3)0x y x →→-= 是无穷小量，所以 ， 22232(3)(2)lim0(3)(2)x y x y x y →→--=-+- ． 虽然这个方法计算实际问题上不那么多用,但计算对无穷小量与有界量的乘积形式的极限的最简单方法之一 .２.６利用变量替换法通过变量替换可以将某些二元函数的极限转化为一元函数的极限来计算,6 / 15从而使二元函数的极限变得简单.但利用时一定要满足下面的定理。

定理：函数(),f x y 点()00,x y 的取心领域内有定义的且cos a 、cos b 沿向量()0,0x xy y --的方向余弦，若二元函数的极限()000lim cos ,cos t x t a y t b A →++=,则 )1若A 的值与a 、b 无关，则()()()00,,lim,x y x y f x y A →=;)2若A 的值与a 、b 有关,则()()()00,,lim,x y x y f x y →不存在；例10 求 22()lim ()x y x y x y e -+→+∞→+∞+解 22222()22()lim ()lim 2x y x y x x y y x y x y x y ee x xy y -++→+∞→+∞→+∞→+∞⎡⎤+++=⋅⎢⎥++⎣⎦ 因 0,0x y >>时,222212x y x xy y+≤++ ，令 x y t +=，显然满足定理的条件，则22()22lim lim lim lim 0x y t t t x t t t y x y t t e e e e +→+∞→+∞→+∞→+∞→+∞+====,所以 ,22()lim ()0x y x y x y e -+→+∞→+∞+= . 例１１ 求极限0tan x y x y →→+解:令u =又0lim 0x x y y u →→→→==显然满足定理的条件,则22222000001cos sin 1sin 1limlim lim cos tan 2sec 22x u u u y u u u u u u u u →→→→→-===⋅⋅=2．７ 利用夹逼准则二元函数的夹逼准则:设在点000(,)P x y 的领域内有(,)(,)(,)h x y f x y g x y ≤≤,且0000(,)(,)(,)(,)lim (,)lim (,)x y x y x y x y h x y g x y A →→==(常数),则7 / 1500(,)(,)lim (,)x y x y f x y A →= ． 但要注意求二元函数极限时是对两个变量同时放缩.例1２ 求 2200lim x y x y x y →→++解： 因为 222()00(0,0)x y x y x y x y x y x y++≤≤=+→→→++ ,由夹逼准则，得 2200lim0x y x y x y →→+=+ ． 例13 求极限222)sin(lim y x y x y x +∞→∞→．解： 222221)sin(0y x y x y x +≤+<， 又01lim22=+∞→∞→y x y x ，故222)sin(lim y x y x y x +∞→∞→=0．2.8 先估计后证明法此方法的运用往往是先通过观察推断出函数的极限,然后用定义证明.例14 求函数2222(,)x y f x y x y =+在点(0,0)处的极限.解: 此例分2部考虑：8 / 15先令y kx =，考虑(,)f x y 沿y kx =(,)(0,0)x y →时的极限,4242222222220000lim (,)lim lim lim 0(1)1x x x x y kxx k x k k f x y x x x k x k k →→→→====⋅=+++ .因为路径y kx =为特殊方向，因此我们还不能判断出极限为0．所以下面用定义检验极限是否为0: 因为222222222222222()(,)002()2()xy xy xy x y x y x y f x y x y x y x y x y ⋅⋅+-=-==≤++++10022xy x y ==-⋅- 于是，0,ε∀>取0,(,):0,0x y x y δδδ=>∀-<-<且2222102x y x y δδ-≤⋅+=22δ22εε==，所以222200lim 0x y x y x y →→=+． 例１5.求()224,xy f x y x y =+在()0,0的极限.解:若函数()224,xy f x y x y=+中动点(),p x y 沿直线y kx =趋于原点()0,0， 则()()()()()2222322424244242,0,0,0,limlim lim lim 01x y x y kx x o x o xy xy xk x x k x y x y x k x x k x →→→→====++++ 即函数()224,xy f x y x y =+中动点(),p x y 沿着无穷多个方向趋于原点时，它的极限为0；但根据这个我们不能说它的极限为0；由于动点(),p x y 沿着其它的路径，比如沿抛物线y =,其极限为()()224,0,0lim x y xy x y →+()(2224220,1lim 2x x y xy x x y x x →→===++从而判断出()()224,0,0lim x y xy x y→+不9 / 15存在;通过例子我们得出任意方向不能代表任意路径，也就是说,我们沿动点(),p x y 不仅任何路径而且还必须任意方向;2.9 利用极坐标法当二元函数中含有22x y +项时，考虑用极坐标变换：cos ,sin x y ρθρθ==通过综合运用恒等变换，不等式放缩等方法将二元函数(,)f x y 转化为只含有参量ρ的函数()g ρ，进而求二元函数的极限.例16 计算2222(,)(0,0)lim ()sinx y x yx y x y→+++ 解: 极限中的二元函数含有22x y +,令cos ,sin x y ρθρθ==,使得222222(sin cos )0()sinsin x y x y x y θθρρρ++≤+=≤+，20lim00,lim 0ρρρ→→==，由夹逼准则得，20(sin cos )lim sin0ρθθρρ→+=所以，2222(,)(0,0)lim ()sin0x y x yx y x y →++=+．例１7 求极限22400lim x y xy x y →→+. 解：若令t 为变量,使cos ,sin x t y t θθ==且[],2o θπ∈,则2222224cos sin 0cos sin xy t x y t θθθθ-=++，当(),x y ()0,0→时,t →0.对任意固定的θ 上式均趋于0，但不能下结论说22400lim x y xy x y →→+=0.事实上22400lim x y xy x y →→+不存在,这只让10 / 15(),x y 沿着任意方向y kx =趋于定点（0，0)，此时224200lim 1x y xy k x y k →→=++． ＝在运用此方法时注意，经过初等变换后的函数满足用迫敛性得函数的极限为a ;若化简后的函数为(,)g ρθ，但对于某个固定的00,(,)0g θρθ→,仍不能判断函数的极限为a .2.10 利用累次极限法一般情况下，累次极限存在并不能保证二重极限存在，但二元函数(,)f x y 满足定理2的条件,就可以利用累次极限0000lim lim (,)lim lim (,)x x y y y y x x f x y f x y →→→→或来计算极限.定理２ 若(,)f x y 在点00(,)x y 存在重极限00(,)(,)lim (,)x y x y f x y →与两个累次极限0000lim lim (,),lim lim (,)x x y y y y x x f x y f x y →→→→,则它们必相等.例１8 求极限4422(,)(0,0)lim x y x y x y →++解:44222222222()x y y y x x y x y x y+--=≤++,∴对任意4402220(0,),lim y x y x U x x y δ→+∈=+一致的成立;而对4402220(0,),lim x x y y U y x yδ→+∈=+存在，根据定理１,得444422222(,)(0,0)000lim lim lim lim 0x y x y x x y x y x x y x y →→→→++===++． 这道题也可以用上述所说的先估计后证明法和极坐标法来计算,如：（1） 用先估计后证明法:11 / 15解： 通过观察可知极限中的二元函数分子是分母的高阶无穷小量，故极限应为0,定义证明：0,ε∀> 因为 4444222222220x y x y x y x y x y x y+-≤+≤++++,故要使4422,x y x y ε+<+只要取δ=(,):,x y x y δδ∀<<则4422220442x y x y x y εεεε+-≤+<+=<+， 故 4422(,)(0,0)lim 0x y x y x y →+=+. (2）用极坐标法解 令 cos ,sin x y ρθρθ==,因为444442442222(cos sin )0(cos sin )2x y x y ρθθρθρρ++≤==+≤+,200lim00,lim 20ρρρ→→==，∴由夹逼准则得，2440lim (cos sin )0ρρθθ→+=, 所以,4422(,)(0,0)lim 0x y x y x y →+=+. 例１９求函数(),f x y =11sin sin x y y x+的极限． 解:()(),0,0001111lim sin sin limlim sin sin x y y x x y x y y x y x →→→⎛⎫⎛⎫+=+ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭ 当0x →，以y 为常数时，01limsin x x→ 不存在，从而得原函数极限不存在;很显然,这种计算法是错的; 因为()(),0,011lim sin sin x y x y y x →⎛⎫+ ⎪⎝⎭()()()(),0,0,0,011lim sin lim sin x y x y x y y x →→⎛⎫⎛⎫=+ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭中，当0x →12 / 15时,x 为无穷小量；0y →时,1sin y为有界量, 从而得 ()()00,,1lim sin x y x y x y →0=，同样()()00,,1lim sin 0x y x y y x→=；所以()(),0,011lim sin sin x y x y y x →⎛⎫+ ⎪⎝⎭()()()(),0,0,0,011lim sin lim sin x y x y x y y x →→⎛⎫⎛⎫=+ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭0=; 此例题我们推出：如果不熟重极限与累次极限的定义反而混乱它们的存在性，所以应该要注意下列三点:一)若累次极限存在且相等，而重极限不一定存在；例：()()224,0,0lim x y xy x y →+中：2224240000lim lim lim lim 0y x x y xy xy x y x y →→→→==++但()()224,0,0lim x y xy x y →+不存在。