二重极限考试内容

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二重极限考试内容

二重极限考试题型全解析#


题型一:证明二重极限不存在(找路径法)—— 最高频考点#

题目 1#

判断下列极限是否存在,若不存在请说明理由:

lim⁡(x,y)→(0,0)xyx2+y2\lim_{(x,y) \to (0,0)} \frac{xy}{x^2 + y^2}

详细解析#

思路分析:这是二重极限中最经典的反例。分子的次数(2次)等于分母的次数(2次),这种情况下极限往往不存在,因为沿不同斜率的直线逼近会得到不同结果。

解答过程:

令点 (x,y)(x,y) 沿直线 y=kxy = kx 趋向 (0,0)(0,0),则:

lim⁡x→0x⋅kxx2+(kx)2=lim⁡x→0kx2x2(1+k2)=k1+k2\lim_{x \to 0} \frac{x \cdot kx}{x^2 + (kx)^2} = \lim_{x \to 0} \frac{kx^2}{x^2(1+k^2)} = \frac{k}{1+k^2}

结果依赖于 kk 的取值:

  • 当 k=0k=0(沿 xx 轴):极限 =0= 0
  • 当 k=1k=1(沿 y=xy=x):极限 =12= \frac{1}{2}
  • 当 k=2k=2(沿 y=2xy=2x):极限 =25= \frac{2}{5}

结论:由于沿不同直线趋向原点时极限值不同,因此该二重极限不存在。

考试技巧:遇到 xyx2+y2\frac{xy}{x^2+y^2} 型,立刻尝试 y=kxy=kx。如果分子分母次数相同,大概率不存在。


题目 2#

判断极限是否存在:

lim⁡(x,y)→(0,0)x2yx4+y2\lim_{(x,y) \to (0,0)} \frac{x^2 y}{x^4 + y^2}

详细解析#

思路分析:这题比上题更隐蔽。分子次数(3次)高于分母中 y2y^2 的次数(2次),但分母中 x4x^4 是4次。沿直线 y=kxy=kx 逼近时,分子是3次,分母是4次(主导项 x4x^4),极限会是0;但沿抛物线路径可能不同。

解答过程:

第一步:先沿直线 y=kxy = kx 试探: lim⁡x→0x2⋅kxx4+k2x2=lim⁡x→0kx3x2(x2+k2)=lim⁡x→0kxx2+k2=0\lim_{x \to 0} \frac{x^2 \cdot kx}{x^4 + k^2x^2} = \lim_{x \to 0} \frac{kx^3}{x^2(x^2+k^2)} = \lim_{x \to 0} \frac{kx}{x^2+k^2} = 0

沿任何直线极限都是 0,但这不足以证明二重极限存在!

第二步:沿抛物线 y=x2y = x^2 逼近: lim⁡x→0x2⋅x2x4+(x2)2=lim⁡x→0x4x4+x4=12\lim_{x \to 0} \frac{x^2 \cdot x^2}{x^4 + (x^2)^2} = \lim_{x \to 0} \frac{x^4}{x^4 + x^4} = \frac{1}{2}

结论:沿直线 y=kxy=kx 极限为 0,沿抛物线 y=x2y=x^2 极限为 12\frac{1}{2},两者不同,因此该二重极限不存在。

考试技巧:沿直线极限都相等时,不要轻易下结论”存在”!立刻换曲线路径(常用 y=kx2y=kx^2 或 x=ky2x=ky^2)再试探。


题型二:证明二重极限存在(夹逼准则)—— 拉分题#

题目 3#

证明下列极限存在并求值:

lim⁡(x,y)→(0,0)x2yx2+y2\lim_{(x,y) \to (0,0)} \frac{x^2 y}{x^2 + y^2}

详细解析#

思路分析:分子次数(3次)严格高于分母次数(2次)。这种情况下极限通常为 0。证明思路是用不等式放缩,把 ∣f(x,y)∣|f(x,y)| 放大为一个只与 x2+y2\sqrt{x^2+y^2} 有关且趋于 0 的表达式。

解答过程:

利用均值不等式 ∣xy∣≤x2+y22|xy| \leq \frac{x^2+y^2}{2},或者直接利用 ∣y∣≤x2+y2|y| \leq \sqrt{x^2+y^2}。

方法一(推荐): ∣x2yx2+y2∣=∣y∣⋅x2x2+y2≤∣y∣⋅1=∣y∣\left|\frac{x^2 y}{x^2 + y^2}\right| = |y| \cdot \frac{x^2}{x^2+y^2} \leq |y| \cdot 1 = |y|

因为 lim⁡(x,y)→(0,0)∣y∣=0\lim_{(x,y)\to(0,0)} |y| = 0,由夹逼准则: 0≤∣x2yx2+y2∣≤∣y∣→00 \leq \left|\frac{x^2 y}{x^2 + y^2}\right| \leq |y| \to 0

所以 lim⁡(x,y)→(0,0)x2yx2+y2=0\lim_{(x,y) \to (0,0)} \frac{x^2 y}{x^2 + y^2} = 0。

方法二(用极坐标): 令 x=rcos⁡θ,y=rsin⁡θx = r\cos\theta, y = r\sin\theta,则当 (x,y)→(0,0)(x,y)\to(0,0) 时 r→0r \to 0:

∣r2cos⁡2θ⋅rsin⁡θr2∣=∣rcos⁡2θsin⁡θ∣≤r→0\left|\frac{r^2\cos^2\theta \cdot r\sin\theta}{r^2}\right| = |r\cos^2\theta\sin\theta| \leq r \to 0

结论:极限存在且等于 0。

考试技巧:证明存在时,核心目标是建立 ∣f(x,y)∣≤g(x2+y2)|f(x,y)| \leq g(\sqrt{x^2+y^2}) 且 g(r)→0g(r) \to 0。常用工具:∣x∣≤x2+y2|x| \leq \sqrt{x^2+y^2},∣xy∣≤x2+y22|xy| \leq \frac{x^2+y^2}{2},极坐标换元。


题目 4#

证明:

lim⁡(x,y)→(0,0)xyx2+y2=0\lim_{(x,y) \to (0,0)} \frac{xy}{\sqrt{x^2+y^2}} = 0

详细解析#

思路分析:分子2次,分母1次,分子”次数优势”明显。考虑用 ∣xy∣≤x2+y22|xy| \leq \frac{x^2+y^2}{2} 进行放缩。

解答过程:

∣xyx2+y2∣=∣xy∣x2+y2≤x2+y22x2+y2=x2+y22\left|\frac{xy}{\sqrt{x^2+y^2}}\right| = \frac{|xy|}{\sqrt{x^2+y^2}} \leq \frac{\frac{x^2+y^2}{2}}{\sqrt{x^2+y^2}} = \frac{\sqrt{x^2+y^2}}{2}

令 ρ=x2+y2\rho = \sqrt{x^2+y^2},则上式 =ρ2= \frac{\rho}{2}。

当 (x,y)→(0,0)(x,y) \to (0,0) 时,ρ→0\rho \to 0,所以 ρ2→0\frac{\rho}{2} \to 0。

由夹逼准则,原极限 =0= 0。

考试技巧:记住这个常用放缩链:∣xy∣≤x2+y22=ρ22|xy| \leq \frac{x^2+y^2}{2} = \frac{\rho^2}{2},遇到分母有 ρ\rho 时可以直接得到 ρ2\frac{\rho}{2}。


题型三:累次极限与二重极限的关系—— 概念辨析题#

题目 5#

设函数 f(x,y)=x−yx+yf(x,y) = \frac{x-y}{x+y},讨论在 (0,0)(0,0) 处:

  1. 两个累次极限是否存在?若存在,值是多少?
  2. 二重极限是否存在?

详细解析#

思路分析:这是累次极限与二重极限关系的经典考题。累次极限是”先固定一个变量,让另一个变量趋向,再让固定的变量趋向”,顺序不同结果可能不同。

解答过程:

(1)计算累次极限

  • 先 y→0y \to 0,再 x→0x \to 0: lim⁡x→0[lim⁡y→0x−yx+y]=lim⁡x→0xx=1\lim_{x \to 0} \left[\lim_{y \to 0} \frac{x-y}{x+y}\right] = \lim_{x \to 0} \frac{x}{x} = 1

  • 先 x→0x \to 0,再 y→0y \to 0: lim⁡y→0[lim⁡x→0x−yx+y]=lim⁡y→0−yy=−1\lim_{y \to 0} \left[\lim_{x \to 0} \frac{x-y}{x+y}\right] = \lim_{y \to 0} \frac{-y}{y} = -1

两个累次极限都存在,但不相等(1≠−11 \neq -1)。

(2)判断二重极限

由于两个累次极限不相等,根据”若二重极限存在,则两个累次极限必存在且相等”的逆否命题,可以直接得出:

二重极限不存在。

补充验证:沿 y=kxy=kx 路径,x−kxx+kx=1−k1+k\frac{x-kx}{x+kx} = \frac{1-k}{1+k},随 kk 变化,也证实二重极限不存在。

考试技巧:看到 x−yx+y\frac{x-y}{x+y} 这种分子分母次数相同的分式,立刻想到累次极限可能不同,二重极限大概率不存在。


题型四:与连续性、偏导数的综合—— 压轴题#

题目 6#

设函数 f(x,y)={xyx2+y2,(x,y)≠(0,0)0,(x,y)=(0,0)f(x,y) = \begin{cases} \dfrac{xy}{\sqrt{x^2+y^2}}, & (x,y) \neq (0,0) \\ 0, & (x,y) = (0,0) \end{cases}

判断 f(x,y)f(x,y) 在 (0,0)(0,0) 处:

  1. 是否连续?
  2. 偏导数 fx(0,0)f_x(0,0)、fy(0,0)f_y(0,0) 是否存在?
  3. 是否可微?

详细解析#

思路分析:这是期末考试中最常出现的综合题型,把二重极限、连续性、偏导数、可微性四个概念串在一起考察。需要逐个击破。

解答过程:

(1)连续性

需要验证 lim⁡(x,y)→(0,0)f(x,y)=f(0,0)=0\lim_{(x,y)\to(0,0)} f(x,y) = f(0,0) = 0。

这正是题目 4 的内容,已证: ∣xyx2+y2∣≤x2+y22→0\left|\frac{xy}{\sqrt{x^2+y^2}}\right| \leq \frac{\sqrt{x^2+y^2}}{2} \to 0

所以极限为 0,等于函数值。ff 在 (0,0)(0,0) 处连续。 ✓

(2)偏导数

按定义: fx(0,0)=lim⁡x→0f(x,0)−f(0,0)x=lim⁡x→00−0x=0f_x(0,0) = \lim_{x \to 0} \frac{f(x,0) - f(0,0)}{x} = \lim_{x \to 0} \frac{0 - 0}{x} = 0

同理 fy(0,0)=0f_y(0,0) = 0。

两个偏导数都存在且等于 0。 ✓

(3)可微性

可微的定义要求: lim⁡(Δx,Δy)→(0,0)f(Δx,Δy)−f(0,0)−fx(0,0)Δx−fy(0,0)Δy(Δx)2+(Δy)2=0\lim_{(\Delta x,\Delta y)\to(0,0)} \frac{f(\Delta x,\Delta y) - f(0,0) - f_x(0,0)\Delta x - f_y(0,0)\Delta y}{\sqrt{(\Delta x)^2+(\Delta y)^2}} = 0

代入已知值(f(0,0)=0,fx=fy=0f(0,0)=0, f_x=f_y=0): lim⁡(Δx,Δy)→(0,0)ΔxΔy(Δx)2+(Δy)2(Δx)2+(Δy)2=lim⁡(Δx,Δy)→(0,0)ΔxΔy(Δx)2+(Δy)2\lim_{(\Delta x,\Delta y)\to(0,0)} \frac{\frac{\Delta x \Delta y}{\sqrt{(\Delta x)^2+(\Delta y)^2}}}{\sqrt{(\Delta x)^2+(\Delta y)^2}} = \lim_{(\Delta x,\Delta y)\to(0,0)} \frac{\Delta x \Delta y}{(\Delta x)^2+(\Delta y)^2}

这正是题目 1 的经典反例!沿 Δy=kΔx\Delta y = k\Delta x 路径,极限为 k1+k2\frac{k}{1+k^2},随 kk 变化。

该极限不为 0(实际上不存在),因此 ff 在 (0,0)(0,0) 处不可微。 ✗

深刻结论:这个例子说明——连续 + 偏导数存在 ⇏\nRightarrow 可微。这是多元函数与一元函数的本质区别!在一元函数中,“可导必连续”且”可导等价于可微”;但在多元中,偏导数存在只是”沿坐标轴方向可导”,远远不够。


题型五:极坐标换元法—— 进阶技巧#

题目 7#

求极限(若存在):

lim⁡(x,y)→(0,0)x3+y3x2+y2\lim_{(x,y) \to (0,0)} \frac{x^3 + y^3}{x^2 + y^2}

详细解析#

思路分析:分子3次,分母2次,分子次数高,猜测极限为0。极坐标换元是处理这种齐次型表达式的利器。

解答过程:

令 x=rcos⁡θ,y=rsin⁡θx = r\cos\theta, y = r\sin\theta,则 r=x2+y2r = \sqrt{x^2+y^2},当 (x,y)→(0,0)(x,y)\to(0,0) 时 r→0r \to 0。

x3+y3x2+y2=r3(cos⁡3θ+sin⁡3θ)r2=r(cos⁡3θ+sin⁡3θ)\frac{x^3+y^3}{x^2+y^2} = \frac{r^3(\cos^3\theta + \sin^3\theta)}{r^2} = r(\cos^3\theta + \sin^3\theta)

由于 ∣cos⁡3θ+sin⁡3θ∣≤∣cos⁡θ∣3+∣sin⁡θ∣3≤1+1=2|\cos^3\theta + \sin^3\theta| \leq |\cos\theta|^3 + |\sin\theta|^3 \leq 1 + 1 = 2,所以:

∣r(cos⁡3θ+sin⁡3θ)∣≤2r→0\left|r(\cos^3\theta + \sin^3\theta)\right| \leq 2r \to 0

由夹逼准则,极限存在且等于 0。

考试技巧:当分子分母都是 x,yx,y 的齐次多项式时,极坐标换元往往能把二元问题化为一元问题(让 r→0r \to 0),同时把角度 θ\theta 的有界性利用起来。


考试速查表#

遇到的情况判断策略常用工具
分子分母次数相同大概率不存在,先试 y=kxy=kx直线路径代入
沿直线极限都相等不要下结论! 试 y=kx2y=kx^2抛物线路径
分子次数 > 分母次数大概率存在且为0,用放缩$
含 x2+y2\sqrt{x^2+y^2} 的分式考虑极坐标换元x=rcos⁡θ,y=rsin⁡θx=r\cos\theta, y=r\sin\theta
累次极限 vs 二重极限先算两个累次极限,若不等则二重不存在累次极限不等 ⇒\Rightarrow 二重不存在
可微性判断归结为 Δf−dfρ→0\frac{\Delta f - df}{\rho} \to 0 的二重极限常化归为 xyx2+y2\frac{xy}{x^2+y^2} 型

如果你还想继续深入,我可以再出一组证明题(比如”若 f(x,y)f(x,y) 在区域 DD 内对 xx 连续,且对 yy 满足 Lipschitz 条件,证明 ff 连续”),或者结合拉格朗日乘数法出综合应用题。

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