這個視覺化中的極限
若只要讓 x 充分接近 a,就能使 f 的值依要求任意接近 L,而完全不看 x = a 本身,就說函數 在點 a 的極限是 L,記為 。其精確形式是 ε–δ 定義(Cauchy 與 Weierstrass):以 ε 提出要求,以 δ 回應。
圖中,要求是以藍線 y = L 為中心、半寬為 ε 的紅色範圍帶;由於是不含等號的不等式,虛線邊緣不包含在內。回應則是以 a 為中心、半寬為 δ 的黃色視窗,在 a 處留有空隙:條件 排除了 x = a,所以那裡有孔洞,或 f(a) 另定義在其他高度,都不影響結果。視窗內的曲線全都留在範圍帶內,視窗就有效;否則,黃色 × 會標出一個超出的點。單側極限(x → a⁻ 或 a⁺)只用半個視窗。極限若存在,就是唯一的:兩個不同值不可能同時符合任意窄的範圍帶。
本頁顯示兩種 δ。保證成立的 δ 來自對視窗內每個 x 都成立的不等式,因此構成證明:對 x²、孔洞、跳躍、sin(1/x) 與 1/x²,最大的 δ 有閉式公式,本身就是保證值;對 x·sin(1/x),界限 在 0 處給出 δ = ε;對 sin x / x,界限 給出 。後兩種函數的最大 δ 以數值計算:逐段追蹤轉折點之間的曲線,並用二分法找出曲線與範圍帶邊緣的每個交點。任何更小的 δ 也可行;δ 從來不唯一。
值得觀察的地方
- ε → 0 每次把範圍帶縮窄至十分之一,直到 10⁻⁶,並記錄每一層的 δ;同時,放大鏡在水平與垂直方向以不同倍率放大(標題列出兩個倍率)。它只檢查顯示的層級,沒有更多:若猜測誤差小於 10⁻⁶,仍可能全部通過。
- 同一個檢驗有三種失敗方式:跳躍(左右極限不同)、無盡振盪(sin(1/x) 在 0 周圍每個區間都取到 1 與 −1),以及猜錯極限(x² 在 2 處若猜 L = 4.1,ε ≤ 0.1 就無法通過)。光有振盪還不夠:x·sin(1/x) 同樣不斷振盪,卻仍以 0 為極限。極限是否存在也取決於位置:sin(1/x) 在每個 a ≠ 0 處都有極限。1/x² 在 0 處沒有有限極限;本頁不討論無窮遠處的極限。
- 輸入的小數或分數都以精確值讀取,因此「是否有可行的 δ」「是否碰到邊緣」等判斷都是精確的:當 L = 4.1、ε = 0.1 時,|4 − L| 恰好等於 ε。函數在 a 處連續,就是指其極限等於 f(a)。
操作方式
- 沿底邊拖曳 a,沿左邊拖曳 L;L 會吸附到極限值,之後隨 a 移動而跟著變化。拖曳視窗邊緣可嘗試自己的 δ,也可直接輸入任意值;保證成立的 δ 與最大的有效 δ 可設定本頁算出的兩種值。改變 f、a、L、ε 或逼近側別,會讓 δ 回到保證值。
- 簡報模式開啟適合投影的全螢幕視圖:空白鍵執行 ε → 0,← → 將 ε 乘以或除以 10,H 隱藏極限。分享可複製目前設定的連結。