高等数学(上册)第一章教案.doc

第一章：函数、极限与连续教学目的与要求 1.解函数的概念，掌握函数的表示方法，并会建立简单应用问题中的函数关系式。2.解函数的奇偶性、单调性、周期性和有界性。3.理解复合函数及分段函数的概念，了解反函数及隐函数的概念。4.掌握基本初等函数的性质及其图形。5.理解极限的概念，理解函数左极限与右极限的概念，以及极限存在与左、右极限之间的关系。6.掌握极限的性质及四则运算法则。7.了解极限存在的两个准则，并会利用它们求极限，掌握利用两个重要极限求极限的方法。8.理解无穷小、无穷大的概念，掌握无穷小的比较方法，会用等价无穷小求极限。9.理解函数连续性的概念（含左连续与右连续），会判别函数间断点的类型。10.了解连续函数的性质和初等函数的连续性，了解闭区间上连续函数的性质（有界性、最大值和最小值定理、介值定理），并会应用这些性质。所需学时：18学时（包括：6学时讲授与2学时习题）第一节：集合与函数一般地我们把研究对象统称为元素，把一些元素组成的总体叫集合（简称集）。集合具有确定性（给定集合的元素必须是确定的）和互异性（给定集合中的元素是互不相同的）。比如“身材较高的人”不能构成集合，因为它的元素不是确定的。我们通常用大字拉丁字母A、B、C、表示集合，用小写拉丁字母a、b、c表示集合中的元素。如果a是集合A中的元素，就说a属于A，记作：aA，否则就说a不属于A，记作：aA。 、全体非负整数组成的集合叫做非负整数集（或自然数集）。记作N、所有正整数组成的集合叫做正整数集。记作N+或N+。、全体整数组成的集合叫做整数集。记作Z。、全体有理数组成的集合叫做有理数集。记作Q。、全体实数组成的集合叫做实数集。记作R。集合的表示方法、列举法：把集合的元素一一列举出来，并用“”括起来表示集合、描述法：用集合所有元素的共同特征来表示集合。集合间的基本关系、子集：一般地，对于两个集合A、B，如果集合A中的任意一个元素都是集合B的元素，我们就说A、B有包含关系，称集合A为集合B的子集，记作A B（或B A）。相等：如何集合A是集合B的子集，且集合B是集合A的子集，此时集合A中的元素与集合B中的元素完全一样，因此集合A与集合B相等，记作AB。、真子集：如何集合A是集合B的子集，但存在一个元素属于B但不属于A，我们称集合A是集合B的真子集。、空集：我们把不含任何元素的集合叫做空集。记作 ，并规定，空集是任何集合的子集。、由上述集合之间的基本关系，可以得到下面的结论：、任何一个集合是它本身的子集。即A A、对于集合A、B、C，如果A是B的子集，B是C的子集，则A是C的子集。、我们可以把相等的集合叫做“等集”，这样的话子集包括“真子集”和“等集”。集合的基本运算、并集：一般地，由所有属于集合A或属于集合B的元素组成的集合称为A与B的并集。记作AB。（在求并集时，它们的公共元素在并集中只能出现一次。）即ABx|xA，或xB。、交集：一般地，由所有属于集合A且属于集合B的元素组成的集合称为A与B的交集。记作AB。即ABx|xA，且xB。、补集：全集：一般地，如果一个集合含有我们所研究问题中所涉及的所有元素，那么就称这个集合为全集。通常记作U。补集：对于一个集合A，由全集U中不属于集合A的所有元素组成的集合称为集合A相对于全集U的补集。简称为集合A的补集，记作CUA。即CUAx|xU，且x A。集合中元素的个数、有限集：我们把含有有限个元素的集合叫做有限集，含有无限个元素的集合叫做无限集。、用card来表示有限集中元素的个数。例如Aa,b,c，则card(A)=3。、一般地，对任意两个集合A、B，有card(A)+card(B)=card(AB)+card(AB)我的问题：1、学校里开运动会，设Ax|x是参加一百米跑的同学，Bx|x是参加二百米跑的同学，Cx|x是参加四百米跑的同学。学校规定，每个参加上述比赛的同学最多只能参加两项，请你用集合的运算说明这项规定，并解释以下集合运算的含义。、AB；、AB。2、在平面直角坐标系中，集合C(x,y)|y=x表示直线yx，从这个角度看，集合D=(x,y)|方程组：2x-y=1,x+4y=5表示什么？集合C、D之间有什么关系？请分别用集合语言和几何语言说明这种关系。3、已知集合A=x|1x3，Bx|(x-1)(x-a)=0。试判断B是不是A的子集？是否存在实数a使AB成立？4、对于有限集合A、B、C，能不能找出这三个集合中元素个数与交集、并集元素个数之间的关系呢？5、无限集合A1，2，3，4，n，B2，4，6，8，2n，你能设计一种比较这两个集合中元素个数多少的方法吗？2、区间、变量的定义：我们在观察某一现象的过程时，常常会遇到各种不同的量，其中有的量在过程中不起变化，我们把其称之为常量；有的量在过程中是变化的，也就是可以取不同的数值，我们则把其称之为变量。注：在过程中还有一种量，它虽然是变化的，但是它的变化相对于所研究的对象是极其微小的，我们则把它看作常量。、变量的表示：如果变量的变化是连续的，则常用区间来表示其变化范围。在数轴上来说，区间是指介于某两点之间的线段上点的全体。区间的名称区间的满足的不等式区间的记号区间在数轴上的表示闭区间axba，b开区间axb（a，b）半开区间axb或axb（a，b或a，b）以上我们所述的都是有限区间，除此之外，还有无限区间：a，+)：表示不小于a的实数的全体，也可记为：ax+；(-，b)：表示小于b的实数的全体，也可记为：-xb；(-，+)：表示全体实数，也可记为：-x+注：其中-和+，分别读作负无穷大和正无穷大,它们不是数,仅仅是记号。、邻域：设与是两个实数，且0.满足不等式x-的实数x的全体称为点的邻域，点称为此邻域的中心，称为此邻域的半径。3、复合函数复合函数的定义：若y是u的函数y=f(u)，而u又是x的函数：u=(x)，且u=(x)的函数值的全部或部分在f(u)的定义域内，那末，y通过u的联系也是x的函数，我们称后一个函数是由函数y=f(u)及u=(x)复合而成的函数，简称复合函数，记作y=f(x)，其中u叫做中间变量。注：并不是任意两个函数就能复合；复合函数还可以由更多函数构成。例题：函数y=arcsinx与函数u=2+x2是不能复合成一个函数的。因为对于u=2+x2的定义域(-,+)中的任何x值所对应的u值（都大于或等于2），使y=arcsinu都没有定义。4、初等函数、基本初等函数：我们最常用的有五种基本初等函数，分别是：指数函数、对数函数、幂函数、三角函数及反三角函数。下面我们用表格来把它们总结一下：函数名称函数的记号函数的图形函数的性质指数函数a):不论x为何值,y总为正数;b):当x=0时,y=1.对数函数a):其图形总位于y轴右侧,并过(1,0)点b):当a1时,在区间(0,1)的值为负；在区间(-,+)的值为正；在定义域内单调增.幂函数a为任意实数这里只画出部分函数图形的一部分。令a=m/na):当m为偶数n为奇数时,y是偶函数;b):当m,n都是奇数时,y是奇函数;c):当m奇n偶时,y在(-,0)无意义.三角函数(正弦函数)这里只写出了正弦函数a):正弦函数是以2为周期的周期函数b):正弦函数是奇函数且反三角函数(反正弦函数)这里只写出了反正弦函数a):由于此函数为多值函数,因此我们此函数值限制在-/2,/2上,并称其为反正弦函数的主值.、初等函数：由基本初等函数与常数经过有限次的有理运算及有限次的函数复合所产生并且能用一个解析式表出的函数称为初等函数.5、双曲函数及反双曲函数（补充）、双曲函数：在应用中我们经常遇到的双曲函数是：(用表格来描述)函数的名称函数的表达式函数的图形函数的性质双曲正弦a)：其定义域为:(-,+)；b)：是奇函数；c)：在定义域内是单调增双曲余弦a)：其定义域为:(-,+)；b)：是偶函数；c)：其图像过点(0,1)；双曲正切a)：其定义域为:(-,+)；b)：是奇函数；c)：其图形夹在水平直线y=1及y=-1之间；在定域内单调增；课后作业及小结：1、学习了集合概念与函数概念2、掌握复合函数与反函数计算方法。作业：P9.1,7,8第二节：数列的极限1、引入、数列：若按照一定的法则，有第一个数a1，第二个数a2，依次排列下去，使得任何一个正整数n对应着一个确定的数an，那末，我们称这列有次序的数a1，a2，an，为数列.数列中的每一个数叫做数列的项。第n项an叫做数列的一般项或通项.注：我们也可以把数列an看作自变量为正整数n的函数，即：an=，它的定义域是全体正整数 、极限：极限的概念是求实际问题的精确解答而产生的。例：我们可通过作圆的内接正多边形，近似求出圆的面积。设有一圆，首先作圆内接正六边形，把它的面积记为A1；再作圆的内接正十二边形，其面积记为A2；再作圆的内接正二十四边形，其面积记为A3；依次循下去(一般把内接正62n-1边形的面积记为An)可得一系列内接正多边形的面积：A1，A2，A3，An，它们就构成一列有序数列。我们可以发现，当内接正多边形的边数无限增加时，An也无限接近某一确定的数值(圆的面积)，这个确定的数值在数学上被称为数列A1，A2，A3，An， 当n(读作n趋近于无穷大)的极限。注：上面这个例子就是我国古代数学家刘徽(公元三世纪)的割圆术。 2、数列极限的概念（1）、数列的极限：一般地，对于数列x1，x2，x3，xn，来说，若存在任意给定的正数(不论其多么小)，总存在正整数N，使得对于nN时的一切xn不等式都成立，那末就称常数a是数列xn的极限，或者称数xn收敛于a .记作：或注：此定义中的正数只有任意给定，不等式才能表达出xn与a无限接近的意思。且定义中的正整数N与任意给定的正数是有关的，它是随着的给定而选定的。（2）、数列的极限的几何解释：在此我们可能不易理解这个概念，下面我们再给出它的一个几何解释，以使我们能理解它。数列xn极限为a的一个几何解释：将常数a及数列x1，x2，x3，xn在数轴上用它们的对应点表示出来，再在数轴上作点a的邻域即开区间(a-，a+)，如下图所示： 因不等式与不等式等价，故当nN时，所有的点xn都落在开区间(a-，a+)内，而只有有限个(至多只有N个)在此区间以外。注：有界的数列不一定收敛，即：数列有界是数列收敛的必要条件，但不是充分条件。例：数列 1，-1，1，-1，(-1)n+1， 是有界的，但它是发散的。3、数列极限的计算（课本例子）课后作业及小结：1、学习了数列极限概念2、掌握数列极限运算方法。作业：P15.2第三节：函数极限的定义域计算前面我们学习了数列的极限，已经知道数列可看作一类特殊的函数，即自变量取 1内的正整数，若自变量不再限于正整数的顺序，而是连续变化的，就成了函数。下面我们来学习函数的极限.函数的极值有两种情况：a)：自变量无限增大；b)：自变量无限接近某一定点x0，如果在这时，函数值无限接近于某一常数A，就叫做函数存在极值。我们已知道函数的极值的情况，那么函数的极限如何呢 ?下面我们结合着数列的极限来学习一下函数极限的概念!1、函数的极限(分两种情况)a):自变量趋向无穷大时函数的极限定义：设函数y=f(x)，若对于任意给定的正数(不论其多么小)，总存在着正数X，使得对于适合不等式 的一切x，所对应的函数值y=f(x)都满足不等式那末常数A就叫做函数y=f(x)当x时的极限，记作：下面我们用表格把函数的极限与数列的极限对比一下：数列的极限的定义函数的极限的定义存在数列an=f(x)与常数A，任给一正数0，总可找到一正整数N，对于nN的所有an都满足则称数列an，当x时收敛于A记：。存在函数y=f(x)与常数A，任给一正数0，总可找到一正数X，对于适合的一切x，都满足，函数y=f(x)当x时的极限为A，记：。从上表我们发现了什么 ？试思考之b):自变量趋向有限值时函数的极限。我们先来看一个例子.例：函数，当x1时函数值的变化趋势如何？函数在x=1处无定义.我们知道对实数来讲，在数轴上任何一个有限的范围内，都有无穷多个点，为此我们把x1时函数值的变化趋势用表列出,如下图:注：在定义中为什么是在去心邻域内呢？这是因为我们只讨论xx0的过程，与x=x0出的情况无关。此定义的核心问题是：对给出的，是否存在正数，使其在去心邻域内的x均满足不等式。有些时候，我们要用此极限的定义来证明函数的极限为 A，其证明方法是怎样的呢？ a):先任取0； b):写出不等式；c):解不等式能否得出去心邻域0，若能； d):则对于任给的0，总能找出，当0时，成立，因此2、函数极限的运算规则前面已经学习了数列极限的运算规则，我们知道数列可作为一类特殊的函数，故函数极限的运算规则与数列极限的运算规则相似。、函数极限的运算规则 若已知xx0(或x)时，.则： 推论： 在求函数的极限时，利用上述规则就可把一个复杂的函数化为若干个简单的函数来求极限。例题：求解答：例题：求此题如果像上题那样求解，则会发现此函数的极限不存在.我们通过观察可以发现此分式的分子和分母都没有极限，像这种情况怎么办呢？下面我们把它解出来。解答：注：通过此例题我们可以发现：当分式的分子和分母都没有极限时就不能运用商的极限的运算规则了，应先把分式的分子分母转化为存在极限的情形，然后运用规则求之。3、左右极限定义定义：如果x仅从左侧(xx0)趋近x0时，函数f(x)与常量A无限接近，则称A为函数f(x)当时的左极限.记：如果x仅从右侧(xx0)趋近x0时，函数f(x)与常量A无限接近，则称A为函数f(x)当时的右极限.记：注：只有当xx0时，函数f(x)的左、右极限存在且相等，方称f(x)在xx0时有极限课后作业及小结：1、学习了函数数列极限概念2、掌握函数数列极限运算方法。作业：P23.1，2第四节：极限性质1、数列极限的性质定理1(极限的唯一性) 数列xn不能收敛于两个不同的极限. 证明: 假设同时有及, 且a0, 存在充分大的正整数N, 使当nN时, 同时有|xn-a| 及|xn-b|N 时的一切xn , 不等式|xn-a|N时, |xn|=|(xn -a)+a| | xn-a|+|a|0(或aN时, 有xn0(或xn0的情形证明. 由数列极限的定义, 对, $NN+, 当nN时, 有,从而.推论 如果数列xn从某项起有xn0(或xn0), 且数列xn收敛于a, 那么a0(或a0).证明 就xn0情形证明. 设数列xn从N1项起, 即当nN 1时有xn0. 现在用反证法证明, 或a N 2时, 有xnN时, 按假定有x n 0, 按定理3有x n0, $NN+, 当nN时, 有|xn-a|K时, nkkK=N. 于是|-a|0和d, 使得当0|x-x0|0, 当0|x-x0|d时, 有|f(x)-A|e =1, 于是 |f(x)|=|f(x)-A+A|f(x)-A|+|A|1+|A|.这就证明了在x0的去心邻域x| 0|x-x0|0(或A0, 使当0|x-x0|0(或f(x)0). 定理3 如果f(x)A(xx0)(A0), 那么存在点x0的某一去心邻域, 在该邻域内, 有. 推论 如果在x0的某一去心邻域内f(x)0(或f(x)0), 而且f(x)A(xx0), 那么A0(或A0). 证明: 设f(x)0. 假设上述论断不成立, 即设A0, 那么由定理1就有x0的某一去心邻域, 在该邻域内 f(x)0, $d 0, 当0|x-x0|d 时, 有|f(x)-A|0, $NN+, 当nN时, 有|xn-x0|N时, 0|x n-x 0|d , 从而|f(x n)-A|0, $N 10, 当nN 1时, 有|y n-a|0, 当nN 2时, 有|z n-a|N 时, 有|y n-a|e , |z n-a|e 同时成立, 即a-eyna+e , a-ez nN 时, 有a-eynx nz na+e , 即 |x n-a|0, $N 0, 当nN 时, 有 |y n-a|e 及|z n-a|e , 即有 a-eyna+e , a-ez na+e , 由条件(1), 有 a-ey nx nz na+e , 即 |x n-a|M时有定义, 准则I 及准则I 称为夹逼准则. 2、第一重要极限下面根据准则I证明第一个重要极限: . OCADB1x 证明 首先注意到, 函数对于一切x0都有定义. 参看附图: 图中的圆为单位圆, BCOA, DAOA. 圆心角AOB=x (0x). 显然 sin x=CB, x=, tan x=AD. 因为 SDAOBS扇形AOBSDAOD , 所以sin xxtan x, 即 sin xxtan x. 不等号各边都除以sin x, 就有, 或 . 注意此不等式当-x0时也成立. 而, 根据准则I, . 简要证明: 参看附图, 设圆心角AOB=x (). 显然 BC AB AD, 因此 sin x x tan x, 从而 (此不等式当x0时也成立). 因为, 根据准则I, . 应注意的问题: 在极限中, 只要a(x)是无穷小, 就有.这是因为, 令u=a(x), 则u 0, 于是., (a(x)0). 例1. 求. 解: . 例2. 求. 解: = . .3、准则II 单调有界数列必有极限. 如果数列x n满足条件x 1x 2x 3 x nx n+1 ,就称数列x n是单调增加的; 如果数列x n满足条件x 1x 2x 3 x nx n+1 ,就称数列x n是单调减少的. 单调增加和单调减少数列统称为单调数列. 在第三节中曾证明: 收敛的数列一定有界. 但那时也曾指出: 有界的数列不一定收敛. 现在准则II表明: 如果数列不仅有界, 并且是单调的, 那么这数列的极限必定存在, 也就是这数列一定收敛. 准则II的几何解释: 单调增加数列的点只可能向右一个方向移动, 或者无限向右移动, 或者无限趋近于某一定点A, 而对有界数列只可能后者情况发生. 4、第二重要极限 根据准则II, 可以证明极限存在. 设, 现证明数列xn是单调有界的. 按牛顿二项公式, 有 , . 比较x n , x n+1的展开式, 可以看出除前两项外, x n的每一项都小于x n+1的对应项, 并且x n+1还多了最后一项, 其值大于0, 因此 x n 0 , $ d 0, 使当0|x-x0|d 时, 有|f(x)-A|0 , $ d 0, 使当0|x-x0|d , 有|a|e 或|f(x)-A|0 , $ d 0, 使当0|x-x0|d , 有f(x)-A|e , 就有|a|0 , $ d 0, 使当0|x-x0|d , 有|a|e , 就有f(x)-A|0, $d 0, 当0|x-|M. 正无穷大与负无穷大:, . 例2 证明. 证 因为M0, $, 当0|x-1|0, 当0|x-|d 时, 有, 由于当0|x-|0,当0|x-|d 时, 有, 即, 所以为xx时的无穷小.课后作业及小结：1、学习了无穷大与无穷小的概念2、掌握无穷大与无穷小之间的关系作业：P45.4,5第七节：函数的连续性及其性质在自然界中有许多现象，如气温的变化，植物的生长等都是连续地变化着的.这种现象在函数关系上的反映，就是函数的连续性1、连续的概念在定义函数的连续性之前我们先来学习一个概念增量设变量x从它的一个初值x1变到终值x2，终值与初值的差x2-x1就叫做变量x的增量，记为：x即：x=x2-x1 增量x可正可负.我们再来看一个例子：函数y=f(x)在点x0的邻域内有定义，当自变量x在领域内从x0变到x0+x时，函数y相应地从f(x0)变到，其对应的增量为：这个关系式的几何解释如下图：现在我们可对连续性的概念这样描述：如果当x趋向于零时，函数y对应的增量y也趋向于零，即：，那末就称函数y=f(x)在点x0处连续。函数连续性的定义：设函数y=f(x)在点x0的某个邻域内有定义，如果有称函数y=f(x)在点x0处连续，且称x0为函数的y=f(x)的连续点.下面我们结合着函数左、右极限的概念再来学习一下函数左、右连续的概念：设函数y=f(x)在区间(a,b内有定义，如果左极限存在且等于f(b)，即：= f(b)，那末我们就称函数f(x)在点b左连续.设函数f(x)在区间a,b)内有定义，如果右极限存在且等于f(a)，即：= f(a)，那末我们就称函数f(x)在点a右连续.一个函数在开区间(a,b)内每点连续,则为在(a,b)连续，若又在a点右连续，b点左连续，则在闭区间a，b连续，如果在整个定义域内连续，则称为连续函数。注：一个函数若在定义域内某一点左、右都连续，则称函数在此点连续，否则在此点不连续.注：连续函数图形是一条连续而不间断的曲线。通过上面的学习我们已经知道函数的连续性了，同时我们可以想到若函数在某一点要是不连续会出现什么情形呢？接着我们就来学习这个问题：函数的间断点2、函数的间断点定义：我们把不满足函数连续性的点称之为间断点. 它包括三种情形：a)：f(x)在x0无定义；b)：f(x)在xx0时无极限；c)：f(x)在xx0时有极限但不等于f(x0)；下面我们通过例题来学习一下间断点的类型：例1： 正切函数y=tanx在x=/2处没有定义，所以点x=/2是函数y=tanx的间断点，因，我们就称x=/2为函数y=tanx的无穷间断点；例2：函数y=sin(1/x)在点x=0处没有定义；故当x0时，函数值在-1与+1之间变动无限多次，我们就称点x=0叫做函数y=sin(1/x)的振荡间断点； 例3：函数当x0时，左极限，右极限，从这我们可以看出函数左、右极限虽然都存在，但不相等，故函数在点x=0是不存在极限。我们还可以发现在点x=0时，函数值产生跳跃现象，为此我们把这种间断点称为跳跃间断点；我们把上述三种间断点用几何图形表示出来如下:3、间断点的分类我们通常把间断点分成两类：如果x0是函数f(x)的间断点，且其左、右极限都存在，我们把x0称为函数f(x)的第一类间断点；不是第一类间断点的任何间断点，称为第二类间断点.可去间断点若x0是函数f(x)的间断点，但极限存在，那末x0是函数f(x)的第一类间断点。此时函数不连续原因是：f(x0)不存在或者是存在但f(x0)。我们令，则可使函数f(x)在点x0处连续，故这种间断点x0称为可去间断点。4、初等函数的连续性连续函数的性质函数的和、积、商的连续性我们通过函数在某点连续的定义和极限的四则运算法则，可得出以下结论：a)：有限个在某点连续的函数的和是一个在该点连续的函数；b)：有限个在某点连续的函数的乘积是一个在该点连续的函数；c)：两个在某点连续的函数的商是一个在该点连续的函数(分母在该点不为零)；反函数的连续性：若函数f(x)在某区间上单调增(或单调减)且连续，那末它的反函数x=（y）也在对应的区间上单调增(单调减)且连续例：函数y=sinx在闭区间-/2,/2上单调增且连续，故它的反函数y=arcsinx在闭区间-1,1上也是单调增且连续的。复合函数的连续性:设函数u=(x)当xx0时的极限存在且等于a，即：.而函数f(u)在点u=a连续，那末复合函数y=f(x)当xx0时的极限也存在且等于f(a).即：例题：求解答：设函数u=(x)在点x=x0连续，且u0=(x0)，而函数y=f(u)在点u=u0连续，那末复合函数y=f(x)在点x=x0也是连续的5、闭区间上初等函数的连续性通过前面我们所学的概念和性质，我们可得出以下结论：基本初等函数在它们的定义域内都是连续的；一切初等函数在其定义域内也都是连续的.闭区间上的连续函数则是在其连续区间的左端点右连续，右端点左连续.对于闭区间上的连续函数有几条重要的性质，下面我们来学习一下：最大值最小值定理：在闭区间上连续的函数一定有最大值和最小值。(在此不作证明) 例：函数y=sinx在闭区间0，2上连续，则