พิมพ์คำที่ต้องการค้นหา ทั้งภาษาไทยและอังกฤษ

  1. หน้าแรก
  2. คลังความรู้
  3. ลิมิตและความต่อเนื่อง

// บทที่ 3 · คณิตศาสตร์วิศวกรรม · Limits & Continuity

ลิมิตและความต่อเนื่อง (Limits & Continuity)

ลิมิตคือเครื่องมือที่ให้เราพูดถึง “ค่าที่เข้าใกล้” ได้อย่างแม่นยำ แม้ฟังก์ชันจะไม่นิยามที่จุดนั้น อนุพันธ์ อินทิกรัล อนุกรม และทฤษฎีบทค่าเริ่มต้น-ค่าสุดท้ายของลาปลาซ ล้วนนิยามด้วยลิมิต หน้านี้เริ่มจากสัญชาตญาณ ไปสู่นิยาม ε–δ ที่ลากดูได้ เทคนิคหาลิมิตทุกแบบที่ออกสอบ และจบที่กฎของโลปิตาล

เขียนโดย อาจารย์มดอัปเดต
สรุปใน 30 วินาที
  • lim⁡x→af(x)=L\lim_{x\to a}f(x) = L: ทำให้ f(x)f(x) ใกล้ LL เท่าไรก็ได้ ด้วยการเอา xx ไปใกล้ aa มากพอ
  • ลิมิตมี ⇔ ลิมิตซ้าย = ลิมิตขวา · แทนค่าได้เลยถ้าฟังก์ชันต่อเนื่อง
  • 0/0: แยกตัวประกอบ · คอนจูเกต · sin⁡x/x→1\sin x/x \to 1 · โลปิตาล
  • ต่อเนื่อง ⇔ f(a)f(a) มีค่า + ลิมิตมี + สองค่าเท่ากัน
ระดับพื้นฐาน ม.ปลาย · ปี 1กลาง ป.ตรี วิศวกรรมขั้นสูง พิสูจน์

ลิมิตคืออะไร: ดูจากตารางและกราฟ พื้นฐาน

ลองถามว่า f(x)=x2−4x−2f(x) = \dfrac{x^2 - 4}{x - 2} มีค่าเท่าไรที่ x=2x = 2 แทนตรง ๆ ได้ 0/00/0 ซึ่งไม่มีความหมาย แต่ถ้าแทน x=1.9, 1.99, 1.999x = 1.9,\ 1.99,\ 1.999 จะได้ 3.9, 3.99, 3.9993.9,\ 3.99,\ 3.999 และจากอีกด้าน 2.1, 2.012.1,\ 2.01 ได้ 4.1, 4.014.1,\ 4.01 ค่าเข้าใกล้ 4 อย่างชัดเจน กราฟเป็นเส้นตรง y=x+2y = x + 2 ที่มี “รูโหว่” ที่ (2,4)(2, 4)

รู: lim = 4 แต่ f(2) ไม่นิยามกระโดด: |x|/x ซ้าย −1 ขวา 1อนันต์: 1/x² → ∞ ที่ x = 0
ซ้าย: f(x)=(x2−4)/(x−2)f(x) = (x^2-4)/(x-2) มีรูที่ x = 2 แต่ลิมิตเท่ากับ 4 · กลาง: ลิมิตซ้าย ≠ ลิมิตขวา (กระโดด) · ขวา: ลิมิตเป็นอนันต์ (เส้นกำกับแนวตั้ง)

L1 Limit (informal) ลิมิต

lim⁡x→af(x)=L\lim_{x\to a}f(x) = L

อ่านว่า “ลิมิตของ f(x) เมื่อ x เข้าใกล้ a เท่ากับ L” · ไม่สนค่า f(a)f(a) สนเฉพาะค่ารอบ ๆ a

นิยาม ε–δ (แบบลากดูได้) กลาง

คำว่า “ใกล้” ต้องวัดเป็นตัวเลขได้ นิยามของโคชีบอกว่า: ใครก็ตามท้าเรามาด้วยความคลาดเคลื่อน ε\varepsilon ของเอาต์พุต เราต้องหาความคลาดเคลื่อน δ\delta ของอินพุตที่รับประกันได้เสมอ

L2 ε–δ definition นิยามเชิงรูปนัย

lim⁡x→af(x)=L  ⟺  ∀ε>0 ∃δ>0: 0<∣x−a∣<δ⇒∣f(x)−L∣<ε\lim_{x\to a}f(x) = L \iff \forall\varepsilon > 0\ \exists\delta > 0:\ 0 < |x - a| < \delta \Rightarrow |f(x) - L| < \varepsilon

ในแล็บ แถบสีน้ำเงินคือ L±εL \pm \varepsilon แถบสีเขียวคือ δ\delta ที่ใหญ่ที่สุดที่ยังทำให้กราฟอยู่ในแถบน้ำเงินทั้งหมด ลองลด ε แล้วดู δ เล็กลงตาม ซูมเข้าเพื่อดูว่ารูโหว่ไม่เคยหายไป และลองตัวอย่าง “ซ้าย ≠ ขวา” กับ “แกว่ง” เพื่อดูกรณีที่หา δ ไม่ได้

ตัวอย่าง L-1 · พิสูจน์ด้วย ε–δ

พิสูจน์ว่า lim⁡x→3(2x−1)=5\lim_{x\to 3}(2x - 1) = 5

  1. ร่าง: ต้องการ ∣(2x−1)−5∣=2∣x−3∣<ε|(2x - 1) - 5| = 2|x - 3| < \varepsilon ซึ่งเป็นจริงเมื่อ ∣x−3∣<ε/2|x - 3| < \varepsilon/2

  2. พิสูจน์: ให้ ε>0\varepsilon > 0 ใด ๆ เลือก δ=ε/2\delta = \varepsilon/2 ถ้า 0<∣x−3∣<δ0 < |x - 3| < \delta แล้ว ∣f(x)−5∣=2∣x−3∣<2δ=ε|f(x) - 5| = 2|x - 3| < 2\delta = \varepsilon ∎

δ=ε/2\delta = \varepsilon/2: ฟังก์ชันชันเท่ากับ 2 จึงต้องคุมอินพุตแคบกว่าเอาต์พุตครึ่งหนึ่ง ความชันคือสิ่งที่อนุพันธ์จะวัด

ลิมิตทางเดียว: ซ้ายและขวา พื้นฐาน

L3 One-sided limits ลิมิตซ้าย ขวา

lim⁡x→a−f(x),lim⁡x→a+f(x)\lim_{x\to a^-}f(x),\qquad \lim_{x\to a^+}f(x)

L4 Existence ลิมิตสองด้านมีค่า

lim⁡x→af(x)=L  ⟺  lim⁡x→a−f=lim⁡x→a+f=L\lim_{x\to a}f(x) = L \iff \lim_{x\to a^-}f = \lim_{x\to a^+}f = L
ตัวอย่าง L-2

(ก) lim⁡x→0∣x∣x\lim_{x\to 0}\dfrac{|x|}{x} (ข) f(x)=x+1f(x) = x + 1 เมื่อ x<3x < 3 และ 7−x7 - x เมื่อ x≥3x \ge 3 หา lim⁡x→3f(x)\lim_{x\to3}f(x)

  1. (ก) x<0x < 0: ∣x∣/x=−1|x|/x = -1 · x>0x > 0: =1= 1 ลิมิตซ้าย −1 ≠ ลิมิตขวา 1

  2. (ข) ซ้าย: 3+1=43 + 1 = 4 · ขวา: 7−3=47 - 3 = 4 เท่ากัน

(ก) ไม่มีลิมิต (กระโดด) · (ข) lim⁡=4\lim = 4 และ f(3)=4f(3) = 4 จึงต่อเนื่องที่ x = 3 ด้วย

สมบัติของลิมิต พื้นฐาน

L5 Limit laws ถ้า lim⁡f=A, lim⁡g=B\lim f = A,\ \lim g = B

lim⁡(f±g)=A±B,lim⁡(fg)=AB,lim⁡fg=AB (B≠0),lim⁡fn=An,lim⁡fn=An\lim(f \pm g) = A \pm B,\quad \lim(fg) = AB,\quad \lim\frac fg = \frac AB\ (B \ne 0),\quad \lim f^n = A^n,\quad \lim\sqrt[n]{f} = \sqrt[n]{A}

L6 Direct substitution แทนค่าได้ทันที

lim⁡x→af(x)=f(a)ถ้า f ต่อเนื่องที่ a\lim_{x\to a}f(x) = f(a) \quad\text{ถ้า } f \text{ ต่อเนื่องที่ } a

พหุนาม ตรรกยะ (ส่วนไม่เป็นศูนย์) ราก ตรีโกณ เอกซ์โพเนนเชียล ลอการิทึม ต่อเนื่องบนโดเมนทั้งหมด

L7 Squeeze theorem ทฤษฎีบทแซนด์วิช

g≤f≤h, lim⁡g=lim⁡h=L⇒lim⁡f=Lg \le f \le h,\ \lim g = \lim h = L \Rightarrow \lim f = L
ตัวอย่าง L-3 · แซนด์วิช

lim⁡x→0x2sin⁡1x\lim_{x\to 0}x^2\sin\dfrac{1}{x}

  1. sin⁡(1/x)\sin(1/x) แกว่งไม่มีลิมิต ใช้กฎผลคูณไม่ได้ แต่ −1≤sin⁡(1/x)≤1-1 \le \sin(1/x) \le 1

    −x2≤x2sin⁡1x≤x2-x^2 \le x^2\sin\frac1x \le x^2
  2. ทั้ง −x2-x^2 และ x2x^2 เข้าหา 0 L7

lim⁡=0\lim = 0

รูปแบบ 0/0: แยกตัวประกอบ คอนจูเกต และจัดรูป พื้นฐาน

ถ้าแทนค่าแล้วได้ 0/00/0 แปลว่าเศษกับส่วนมีตัวประกอบ (x−a)(x - a) ร่วมกันซ่อนอยู่ งานของเราคือดึงมันออกมาตัดทิ้ง

ตัวอย่าง L-4 · แยกตัวประกอบ

lim⁡x→2x2−4x−2\lim_{x\to 2}\dfrac{x^2 - 4}{x - 2} และ lim⁡x→1x3−1x2−1\lim_{x\to 1}\dfrac{x^3 - 1}{x^2 - 1}

  1. (x−2)(x+2)x−2=x+2→4\frac{(x-2)(x+2)}{x-2} = x + 2 \to 4
  2. (x−1)(x2+x+1)(x−1)(x+1)=x2+x+1x+1→32\frac{(x-1)(x^2+x+1)}{(x-1)(x+1)} = \frac{x^2 + x + 1}{x + 1} \to \frac{3}{2}

44 และ 32\tfrac32 · ตัดได้เพราะขณะ “เข้าใกล้” x≠ax \ne a

ตัวอย่าง L-5 · คูณคอนจูเกต

lim⁡x→0x+4−2x\lim_{x\to 0}\dfrac{\sqrt{x + 4} - 2}{x}

  1. x+4−2x⋅x+4+2x+4+2=(x+4)−4x(x+4+2)=1x+4+2\frac{\sqrt{x+4} - 2}{x}\cdot\frac{\sqrt{x+4} + 2}{\sqrt{x+4} + 2} = \frac{(x + 4) - 4}{x(\sqrt{x+4} + 2)} = \frac{1}{\sqrt{x+4} + 2}
  2. →12+2=14\to \frac{1}{2 + 2} = \frac14

14\tfrac14 ซึ่งคือความชันของ x\sqrt{x} ที่ x=4x = 4 (ผลหารผลต่างของอนุพันธ์)

ลิมิตตรีโกณมิติและค่า e กลาง

L8 Fundamental trig limit ลิมิตพื้นฐาน

lim⁡x→0sin⁡xx=1,lim⁡x→01−cos⁡xx=0,lim⁡x→01−cos⁡xx2=12\lim_{x\to 0}\frac{\sin x}{x} = 1,\qquad \lim_{x\to 0}\frac{1 - \cos x}{x} = 0,\qquad \lim_{x\to0}\frac{1-\cos x}{x^2} = \frac12

พิสูจน์ด้วยแซนด์วิช: cos⁡x≤sin⁡xx≤1\cos x \le \frac{\sin x}{x} \le 1 จากพื้นที่สามเหลี่ยมกับเซกเตอร์ในวงกลมหนึ่งหน่วย · x ต้องเป็นเรเดียน · ฟังก์ชัน sinc⁡\operatorname{sinc} ในสัญญาณมาจากลิมิตนี้

L9 The number e ค่า e

e=lim⁡n→∞(1+1n)n=lim⁡x→0(1+x)1/x≈2.71828e = \lim_{n\to\infty}\left(1 + \frac1n\right)^n = \lim_{x\to 0}(1 + x)^{1/x} \approx 2.71828 lim⁡x→0ex−1x=1,lim⁡x→0ln⁡(1+x)x=1\lim_{x\to0}\frac{e^x - 1}{x} = 1,\qquad \lim_{x\to 0}\frac{\ln(1+x)}{x} = 1
ตัวอย่าง L-6

(ก) lim⁡x→0sin⁡3xx\lim_{x\to0}\dfrac{\sin 3x}{x} (ข) lim⁡x→0tan⁡xx\lim_{x\to0}\dfrac{\tan x}{x} (ค) lim⁡x→∞(1+2x)x\lim_{x\to\infty}\left(1 + \dfrac2x\right)^x

  1. (ก) คูณและหารด้วย 3: 3⋅sin⁡3x3x→3⋅1=33\cdot\dfrac{\sin 3x}{3x} \to 3\cdot 1 = 3

  2. (ข) sin⁡xx⋅1cos⁡x→1⋅1=1\dfrac{\sin x}{x}\cdot\dfrac{1}{\cos x} \to 1\cdot 1 = 1

  3. (ค) ให้ n=x/2n = x/2: (1+1n)2n=[(1+1n)n]2→e2\left(1 + \dfrac1n\right)^{2n} = \left[\left(1 + \dfrac1n\right)^n\right]^2 \to e^2

3, 1, e23,\ 1,\ e^2

ลิมิตที่อนันต์ ลิมิตอนันต์ และเส้นกำกับ พื้นฐาน

L10 Rational functions at ∞ ฟังก์ชันตรรกยะเมื่อ x → ∞

lim⁡x→∞anxn+⋯bmxm+⋯={0,n<man/bm,n=m±∞,n>m\lim_{x\to\infty}\frac{a_nx^n + \cdots}{b_mx^m + \cdots} = \begin{cases} 0, & n < m \\ a_n/b_m, & n = m \\ \pm\infty, & n > m \end{cases}

วิธีทำ: หารทั้งเศษและส่วนด้วยกำลังสูงสุดของตัวส่วน ค่าที่ได้คือเส้นกำกับแนวนอน

L11 Vertical asymptote เส้นกำกับแนวตั้ง

lim⁡x→a±f(x)=±∞⇒x=a เป็นเส้นกำกับแนวตั้ง\lim_{x\to a^\pm}f(x) = \pm\infty \Rightarrow x = a \text{ เป็นเส้นกำกับแนวตั้ง}

L12 Oblique asymptote เส้นกำกับเฉียง

f(x)=mx+b+r(x), r(x)→0⇒y=mx+bf(x) = mx + b + r(x),\ r(x)\to 0 \Rightarrow y = mx + b

เกิดเมื่อดีกรีเศษมากกว่าส่วนหนึ่งพอดี หาด้วยการหารยาว

ตัวอย่าง L-7 · เส้นกำกับทั้งสามแบบ

(ก) lim⁡x→∞3x2+2x5x2−1\lim_{x\to\infty}\dfrac{3x^2 + 2x}{5x^2 - 1} (ข) เส้นกำกับของ x+1x−2\dfrac{x+1}{x-2} (ค) เส้นกำกับของ x2+1x−1\dfrac{x^2+1}{x-1}

  1. (ก) หารด้วย x2x^2: 3+2/x5−1/x2→35\dfrac{3 + 2/x}{5 - 1/x^2} \to \dfrac35

  2. (ข) แนวตั้ง x=2x = 2 (ส่วนเป็นศูนย์ เศษไม่เป็นศูนย์) · แนวนอน y=1y = 1 (ดีกรีเท่ากัน 1/1)

  3. (ค) หารยาว x2+1x−1=x+1+2x−1\dfrac{x^2+1}{x-1} = x + 1 + \dfrac{2}{x-1} → แนวเฉียง y=x+1y = x + 1 และแนวตั้ง x=1x = 1

35\tfrac35 · x=2, y=1x = 2,\ y = 1 · y=x+1, x=1y = x + 1,\ x = 1

ความต่อเนื่องและทฤษฎีบทค่าระหว่างกลาง กลาง

L13 Continuity at a point ต่อเนื่องที่ x = a

(1) f(a) มีค่า(2) lim⁡x→af(x) มีค่า(3) lim⁡x→af(x)=f(a)\text{(1) } f(a) \text{ มีค่า}\quad \text{(2) } \lim_{x\to a}f(x) \text{ มีค่า}\quad \text{(3) } \lim_{x\to a}f(x) = f(a)

ผิดข้อใดข้อหนึ่ง = ไม่ต่อเนื่อง: ถอดได้ (รู · แก้ได้ด้วยการนิยามค่าใหม่) · กระโดด (ซ้าย ≠ ขวา) · อนันต์ (เส้นกำกับแนวตั้ง) · แกว่ง (sin⁡(1/x)\sin(1/x))

L14 Intermediate value theorem ทฤษฎีบทค่าระหว่างกลาง

f ต่อเนื่องบน [a,b], f(a)<N<f(b)⇒∃c∈(a,b): f(c)=Nf \text{ ต่อเนื่องบน } [a, b],\ f(a) < N < f(b) \Rightarrow \exists c \in (a, b):\ f(c) = N

ถ้า f(a)f(a) กับ f(b)f(b) ต่างเครื่องหมาย ต้องมีรากระหว่างนั้น เป็นหลักของวิธีแบ่งครึ่งช่วง (bisection) ที่ใช้หาจุดทำงานของวงจรไม่เชิงเส้น

ตัวอย่าง L-8 · ทำให้ต่อเนื่อง

หา kk ที่ทำให้ f(x)=kx+1f(x) = kx + 1 เมื่อ x≤2x \le 2 และ x2−kx^2 - k เมื่อ x>2x > 2 ต่อเนื่องทุกจุด

  1. แต่ละช่วงเป็นพหุนาม ต่อเนื่องอยู่แล้ว ต้องตรวจที่รอยต่อ x = 2 เท่านั้น

    lim⁡x→2−f=2k+1,lim⁡x→2+f=4−k\lim_{x\to2^-}f = 2k + 1,\qquad \lim_{x\to2^+}f = 4 - k
  2. 2k+1=4−k⇒k=12k + 1 = 4 - k \Rightarrow k = 1

k=1k = 1 (ทั้งสองข้างเท่ากับ 3 และ f(2)=3f(2) = 3)

ตัวอย่าง L-9 · แบ่งครึ่งช่วงหาราก

แสดงว่า x3−x−1=0x^3 - x - 1 = 0 มีรากใน [1,2][1, 2] แล้วประมาณค่า

  1. f(1)=−1<0f(1) = -1 < 0, f(2)=5>0f(2) = 5 > 0 และ f ต่อเนื่อง → มีรากใน (1,2)(1, 2) L14

  2. f(1.5)=0.875>0f(1.5) = 0.875 > 0 → ราก ∈ (1,1.5)(1, 1.5) · f(1.25)=−0.297<0f(1.25) = -0.297 < 0 → ∈ (1.25,1.5)(1.25, 1.5) · f(1.375)=0.225f(1.375) = 0.225 → ∈ (1.25,1.375)(1.25, 1.375) …

ลู่เข้าสู่ x≈1.3247x \approx 1.3247 (ทุกรอบช่วงแคบลงครึ่งหนึ่ง) วิธีนิวตัน-ราฟสันเร็วกว่ามากแต่ต้องใช้อนุพันธ์

กฎของโลปิตาล (L'Hôpital's Rule) กลาง

L15 L'Hôpital's rule กฎของโลปิตาล

f(x)g(x)→00 หรือ ∞∞ ⇒ lim⁡f(x)g(x)=lim⁡f′(x)g′(x)\frac{f(x)}{g(x)} \to \frac00 \text{ หรือ } \frac{\infty}{\infty} \ \Rightarrow\ \lim\frac{f(x)}{g(x)} = \lim\frac{f'(x)}{g'(x)}

หาอนุพันธ์เศษและส่วนแยกกัน ไม่ใช่กฎผลหาร · ใช้ซ้ำได้ถ้ายังเป็น 0/0 · ต้องการสูตรอนุพันธ์

L16 Other indeterminate forms แปลงรูปก่อนใช้

0⋅∞→f1/g∞−∞→รวมเศษส่วน1∞, 00, ∞0→elim⁡gln⁡f0\cdot\infty \to \frac{f}{1/g} \qquad \infty - \infty \to \text{รวมเศษส่วน} \qquad 1^\infty,\ 0^0,\ \infty^0 \to e^{\lim g\ln f}
ตัวอย่าง L-10 · โลปิตาลทุกรูปแบบ

(ก) lim⁡x→0ex−1−xx2\lim_{x\to0}\dfrac{e^x - 1 - x}{x^2} (ข) lim⁡x→∞xe−x\lim_{x\to\infty}xe^{-x} (ค) lim⁡x→0+xln⁡x\lim_{x\to0^+}x\ln x (ง) lim⁡x→0+xx\lim_{x\to0^+}x^x

  1. (ก) 0/0 สองครั้ง: ex−12x→ex2→12\dfrac{e^x - 1}{2x} \to \dfrac{e^x}{2} \to \dfrac12

  2. (ข) ∞⋅0\infty\cdot0 → xex\dfrac{x}{e^x} (∞/∞) → 1ex→0\dfrac{1}{e^x} \to 0 · เอกซ์โพเนนเชียลชนะพหุนามเสมอ

  3. (ค) 0⋅(−∞)0\cdot(-\infty) → ln⁡x1/x\dfrac{\ln x}{1/x} → 1/x−1/x2=−x→0\dfrac{1/x}{-1/x^2} = -x \to 0

  4. (ง) 000^0 → xx=exln⁡x→e0=1x^x = e^{x\ln x} \to e^0 = 1 (ใช้ผล (ค))

12, 0, 0, 1\tfrac12,\ 0,\ 0,\ 1

ลิมิตในงานวิศวกรรมไฟฟ้า กลาง

ลิมิตความหมายทางวิศวกรรม
lim⁡t→∞V(1−e−t/τ)=V\lim_{t\to\infty}V\left(1 - e^{-t/\tau}\right) = Vค่าสุดท้ายของการชาร์จ (สถานะคงตัว) ใช้ทฤษฎีบทค่าสุดท้ายของลาปลาซหาได้โดยไม่แปลงกลับ P16
lim⁡Δt→0ΔqΔt=dqdt=i\lim_{\Delta t\to0}\dfrac{\Delta q}{\Delta t} = \dfrac{dq}{dt} = iนิยามกระแสไฟฟ้าคืออนุพันธ์ของประจุ
vC(0−)=vC(0+)v_C(0^-) = v_C(0^+)แรงดันตัวเก็บประจุต่อเนื่องเสมอ (ไม่กระโดด) เพราะต้องใช้กระแสอนันต์
lim⁡ω→∞∣11+jωRC∣=0\lim_{\omega\to\infty}\left|\dfrac{1}{1 + j\omega RC}\right| = 0วงจร RC ตัดความถี่สูง (low-pass)
lim⁡x→0sin⁡πxπx=1\lim_{x\to 0}\dfrac{\sin\pi x}{\pi x} = 1ฟังก์ชัน sinc มีค่า 1 ที่ศูนย์ เป็นสเปกตรัมของพัลส์สี่เหลี่ยม
lim⁡n→∞(1+rn)n=er\lim_{n\to\infty}\left(1 + \dfrac{r}{n}\right)^{n} = e^{r}การเติบโตต่อเนื่อง ที่มาของ ee ในสมการประจุ-คายประจุ

ต่อยอดจากลิมิต: ลิมิตของลำดับและผลบวกย่อยคือหัวใจของ ลำดับและอนุกรมครบชุด 10 หน้า ตั้งแต่ ลิมิตของลำดับ ε–N ไปจนถึง อนุกรมเทย์เลอร์ และ อนุกรมโลรองต์

บทต่อไป: อนุพันธ์ คือลิมิตของผลหารผลต่าง lim⁡h→0f(x+h)−f(x)h\lim_{h\to0}\frac{f(x+h) - f(x)}{h}

ต่อยอด: ลำดับ อนุกรม และอุปนัยเชิงคณิตศาสตร์

ลิมิตเมื่อ x→∞x \to \infty มีคู่แฝดในโลกไม่ต่อเนื่อง คือ ลิมิตของลำดับ lim⁡n→∞an\lim_{n\to\infty} a_n และ อนุกรมอนันต์ ซึ่งก็คือลิมิตของผลบวกย่อย lim⁡N→∞∑n=1Nan\lim_{N\to\infty}\sum_{n=1}^{N} a_n ส่วน อุปนัยเชิงคณิตศาสตร์ คือเครื่องมือพิสูจน์สูตรที่ใช้ได้กับ “ทุก n” เช่นสูตรผลบวก ∑k2\sum k^2 ที่ใช้หาอินทิกรัลด้วยผลบวกรีมันน์ ทั้งสองหน้าใช้เทคนิคลิมิตจากหน้านี้ (0/0, ∞/∞, โลปิตาล, ค่า e) โดยตรง

  1. L1Limit (informal)ลิมิต
    lim⁡x→af(x)=L\lim_{x\to a}f(x) = L
  2. L2ε–δ definitionนิยามเชิงรูปนัย
    lim⁡x→af(x)=L  ⟺  ∀ε>0 ∃δ>0: 0<∣x−a∣<δ⇒∣f(x)−L∣<ε\lim_{x\to a}f(x) = L \iff \forall\varepsilon > 0\ \exists\delta > 0:\ 0 < |x - a| < \delta \Rightarrow |f(x) - L| < \varepsilon
  3. L3One-sided limitsลิมิตซ้าย ขวา
    lim⁡x→a−f(x),lim⁡x→a+f(x)\lim_{x\to a^-}f(x),\qquad \lim_{x\to a^+}f(x)
  4. L4Existenceลิมิตสองด้านมีค่า
    lim⁡x→af(x)=L  ⟺  lim⁡x→a−f=lim⁡x→a+f=L\lim_{x\to a}f(x) = L \iff \lim_{x\to a^-}f = \lim_{x\to a^+}f = L
  5. lim⁡f=a, lim⁡g=b\lim f = a,\ \lim g = b ลิมิต · ความต่อเนื่อง lim (f pm g) = a pm b, quad lim (fg) = ab, quad lim frac fg = frac ab\ (b ne 0), quad lim f^n = a^n, quad lim sqrt [n]{f} = sqrt [n]{a} ">L5Limit lawsถ้า lim⁡f=A, lim⁡g=B\lim f = A,\ \lim g = B
    lim⁡(f±g)=A±B,lim⁡(fg)=AB,lim⁡fg=AB (B≠0),lim⁡fn=An,lim⁡fn=An\lim(f \pm g) = A \pm B,\quad \lim(fg) = AB,\quad \lim\frac fg = \frac AB\ (B \ne 0),\quad \lim f^n = A^n,\quad \lim\sqrt[n]{f} = \sqrt[n]{A}
  6. L6Direct substitutionแทนค่าได้ทันที
    lim⁡x→af(x)=f(a)ถ้า f ต่อเนื่องที่ a\lim_{x\to a}f(x) = f(a) \quad\text{ถ้า } f \text{ ต่อเนื่องที่ } a
  7. L7Squeeze theoremทฤษฎีบทแซนด์วิช
    g≤f≤h, lim⁡g=lim⁡h=L⇒lim⁡f=Lg \le f \le h,\ \lim g = \lim h = L \Rightarrow \lim f = L
  8. L8Fundamental trig limitลิมิตพื้นฐาน
    lim⁡x→0sin⁡xx=1,lim⁡x→01−cos⁡xx=0,lim⁡x→01−cos⁡xx2=12\lim_{x\to 0}\frac{\sin x}{x} = 1,\qquad \lim_{x\to 0}\frac{1 - \cos x}{x} = 0,\qquad \lim_{x\to0}\frac{1-\cos x}{x^2} = \frac12
  9. L9The number eค่า e
    e=lim⁡n→∞(1+1n)n=lim⁡x→0(1+x)1/x≈2.71828e = \lim_{n\to\infty}\left(1 + \frac1n\right)^n = \lim_{x\to 0}(1 + x)^{1/x} \approx 2.71828
  10. L10Rational functions at ∞ฟังก์ชันตรรกยะเมื่อ x → ∞
    lim⁡x→∞anxn+⋯bmxm+⋯={0,n<man/bm,n=m±∞,n>m\lim_{x\to\infty}\frac{a_nx^n + \cdots}{b_mx^m + \cdots} = \begin{cases} 0, & n < m \\ a_n/b_m, & n = m \\ \pm\infty, & n > m \end{cases}
  11. L11Vertical asymptoteเส้นกำกับแนวตั้ง
    lim⁡x→a±f(x)=±∞⇒x=a เป็นเส้นกำกับแนวตั้ง\lim_{x\to a^\pm}f(x) = \pm\infty \Rightarrow x = a \text{ เป็นเส้นกำกับแนวตั้ง}
  12. L12Oblique asymptoteเส้นกำกับเฉียง
    f(x)=mx+b+r(x), r(x)→0⇒y=mx+bf(x) = mx + b + r(x),\ r(x)\to 0 \Rightarrow y = mx + b
  13. L13Continuity at a pointต่อเนื่องที่ x = a
    (1) f(a) มีค่า(2) lim⁡x→af(x) มีค่า(3) lim⁡x→af(x)=f(a)\text{(1) } f(a) \text{ มีค่า}\quad \text{(2) } \lim_{x\to a}f(x) \text{ มีค่า}\quad \text{(3) } \lim_{x\to a}f(x) = f(a)
  14. L14Intermediate value theoremทฤษฎีบทค่าระหว่างกลาง
    f ต่อเนื่องบน [a,b], f(a)<N<f(b)⇒∃c∈(a,b): f(c)=Nf \text{ ต่อเนื่องบน } [a, b],\ f(a) < N < f(b) \Rightarrow \exists c \in (a, b):\ f(c) = N
  15. L15L'Hôpital's ruleกฎของโลปิตาล
    f(x)g(x)→00 หรือ ∞∞ ⇒ lim⁡f(x)g(x)=lim⁡f′(x)g′(x)\frac{f(x)}{g(x)} \to \frac00 \text{ หรือ } \frac{\infty}{\infty} \ \Rightarrow\ \lim\frac{f(x)}{g(x)} = \lim\frac{f'(x)}{g'(x)}
  16. L16Other indeterminate formsแปลงรูปก่อนใช้
    0⋅∞→f1/g∞−∞→รวมเศษส่วน1∞, 00, ∞0→elim⁡gln⁡f0\cdot\infty \to \frac{f}{1/g} \qquad \infty - \infty \to \text{รวมเศษส่วน} \qquad 1^\infty,\ 0^0,\ \infty^0 \to e^{\lim g\ln f}
  17. S1Sequenceลำดับ
    {an}n=1∞: a1,a2,a3,…an+1=g(an)\{a_n\}_{n=1}^{\infty}:\ a_1, a_2, a_3, \dots \qquad a_{n+1} = g(a_n)
  18. S2Series & partial sumsอนุกรมและผลบวกย่อย
    SN=∑n=1Nan,∑n=1∞an=lim⁡N→∞SNS_N = \sum_{n=1}^{N} a_n,\qquad \sum_{n=1}^{\infty} a_n = \lim_{N\to\infty} S_N
  19. S3Arithmetic sequenceลำดับเลขคณิต
    an=a1+(n−1)d,d=an+1−ana_n = a_1 + (n - 1)d,\qquad d = a_{n+1} - a_n
  20. S4Arithmetic seriesอนุกรมเลขคณิต
    Sn=n2(a1+an)=n2[2a1+(n−1)d]S_n = \frac{n}{2}(a_1 + a_n) = \frac{n}{2}\left[2a_1 + (n - 1)d\right]
  21. S5Geometric sequenceลำดับเรขาคณิต
    an=a1r n−1,r=an+1ana_n = a_1 r^{\,n-1},\qquad r = \frac{a_{n+1}}{a_n}
  22. S6Finite geometric seriesอนุกรมเรขาคณิต n พจน์
    Sn=a1 1−rn1−r(r≠1)S_n = a_1\,\frac{1 - r^n}{1 - r}\quad (r \ne 1)
  23. S7Infinite geometric seriesอนุกรมเรขาคณิตอนันต์
    ∑n=1∞a1r n−1=a1+a1r+a1r2+⋯=a11−rเมื่อ ∣r∣<1\sum_{n=1}^{\infty} a_1 r^{\,n-1} = a_1 + a_1 r + a_1 r^2 + \cdots = \frac{a_1}{1 - r}\quad \text{เมื่อ } |r| < 1
  24. S8Sigma propertiesสมบัติของซิกมา
    ∑k=1n(c ak±bk)=c∑k=1nak±∑k=1nbk,∑k=1nc=nc\sum_{k=1}^{n}(c\,a_k \pm b_k) = c\sum_{k=1}^{n}a_k \pm \sum_{k=1}^{n}b_k,\qquad \sum_{k=1}^{n} c = nc
  25. S9Power sumsสูตรผลบวกกำลังของจำนวนนับ
    ∑k=1nk=n(n+1)2,∑k=1nk2=n(n+1)(2n+1)6,∑k=1nk3=[n(n+1)2]2\sum_{k=1}^{n} k = \frac{n(n+1)}{2},\qquad \sum_{k=1}^{n} k^2 = \frac{n(n+1)(2n+1)}{6},\qquad \sum_{k=1}^{n} k^3 = \left[\frac{n(n+1)}{2}\right]^2
  26. S10Telescoping sumผลบวกแบบหักล้าง
    ∑k=1n(bk−bk+1)=b1−bn+1\sum_{k=1}^{n}\left(b_k - b_{k+1}\right) = b_1 - b_{n+1}
  27. S11ε–N definitionนิยามลิมิตของลำดับ
    lim⁡n→∞an=L  ⟺  ∀ε>0 ∃N: n≥N⇒∣an−L∣<ε\lim_{n\to\infty} a_n = L \iff \forall\varepsilon > 0\ \exists N:\ n \ge N \Rightarrow |a_n - L| < \varepsilon
  28. S12Standard sequence limitsลิมิตมาตรฐานที่ต้องจำ
    rn→0 (∣r∣<1),nn→1,(1+xn)n→ex,ln⁡nn→0,npbn→0 (b>1),bnn!→0r^n \to 0\ (|r| < 1),\quad \sqrt[n]{n} \to 1,\quad \left(1 + \tfrac{x}{n}\right)^n \to e^x,\quad \frac{\ln n}{n} \to 0,\quad \frac{n^p}{b^n} \to 0\ (b > 1),\quad \frac{b^n}{n!} \to 0
  29. S13Monotone convergenceทฤษฎีบทลำดับทางเดียว
    an↗ และ an≤M  ⇒  {an} ลู่เข้าa_n \nearrow\ \text{และ}\ a_n \le M\ \ \Rightarrow\ \ \{a_n\}\ \text{ลู่เข้า}
  30. S14Squeeze for sequencesแซนด์วิช
    bn≤an≤cn, bn,cn→L⇒an→Lb_n \le a_n \le c_n,\ b_n, c_n \to L \Rightarrow a_n \to L
  31. S15nth-term (divergence) testทดสอบพจน์ที่ n
    lim⁡n→∞an≠0 (หรือไม่มีค่า) ⇒ ∑an ลู่ออก\lim_{n\to\infty} a_n \ne 0\ \text{(หรือไม่มีค่า)} \ \Rightarrow\ \sum a_n\ \text{ลู่ออก}
  32. S16p-seriesอนุกรม p
    ∑n=1∞1np ลู่เข้า  ⟺  p>1\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n^p}\ \text{ลู่เข้า} \iff p > 1
  33. S17Integral testทดสอบด้วยปริพันธ์
    an=f(n), f↘, f>0: ∑an∼∫1∞f(x) dxa_n = f(n),\ f \searrow,\ f > 0:\ \sum a_n \sim \int_1^{\infty} f(x)\,dx
  34. S18Comparison testsการเปรียบเทียบ
    0≤an≤bn: ∑bn ลู่เข้า⇒∑an ลู่เข้า;lim⁡anbn=c>0⇒เหมือนกัน0 \le a_n \le b_n:\ \textstyle\sum b_n\ \text{ลู่เข้า} \Rightarrow \sum a_n\ \text{ลู่เข้า};\qquad \lim\frac{a_n}{b_n} = c > 0 \Rightarrow \text{เหมือนกัน}
  35. S19Ratio testทดสอบอัตราส่วน
    ρ=lim⁡n→∞∣an+1an∣: ρ<1 ลู่เข้า, ρ>1 ลู่ออก, ρ=1 สรุปไม่ได้\rho = \lim_{n\to\infty}\left|\frac{a_{n+1}}{a_n}\right|:\ \rho < 1\ \text{ลู่เข้า},\ \rho > 1\ \text{ลู่ออก},\ \rho = 1\ \text{สรุปไม่ได้}
  36. S20Root testทดสอบราก
    ρ=lim⁡n→∞∣an∣n: เกณฑ์เดียวกับ ratio test\rho = \lim_{n\to\infty}\sqrt[n]{|a_n|}:\ \text{เกณฑ์เดียวกับ ratio test}
  37. S21Alternating series testอนุกรมสลับ (ไลบ์นิซ)
    ∑(−1)n+1bn, bn↘0⇒ลู่เข้า,∣S−SN∣≤bN+1\sum (-1)^{n+1} b_n,\ b_n \searrow 0 \Rightarrow \text{ลู่เข้า},\quad |S - S_N| \le b_{N+1}
  38. S22Absolute vs conditionalสัมบูรณ์กับมีเงื่อนไข
    ∑∣an∣ ลู่เข้า⇒∑an ลู่เข้า (absolutely)\textstyle\sum |a_n|\ \text{ลู่เข้า} \Rightarrow \sum a_n\ \text{ลู่เข้า (absolutely)}
  39. S23Power seriesอนุกรมกำลัง
    ∑n=0∞cn(x−a)n=c0+c1(x−a)+c2(x−a)2+⋯\sum_{n=0}^{\infty} c_n (x - a)^n = c_0 + c_1(x - a) + c_2(x - a)^2 + \cdots
  40. S24Radius of convergenceรัศมีการลู่เข้า
    R=lim⁡n→∞∣cncn+1∣,∣x−a∣<R ลู่เข้า, ∣x−a∣>R ลู่ออกR = \lim_{n\to\infty}\left|\frac{c_n}{c_{n+1}}\right|,\qquad |x - a| < R\ \text{ลู่เข้า},\ |x - a| > R\ \text{ลู่ออก}
  41. S25Term-by-term calculusหาอนุพันธ์และอินทิเกรตทีละพจน์
    ddx∑cnxn=∑ncnxn−1,∫∑cnxn dx=C+∑cnn+1xn+1(R เท่าเดิม)\frac{d}{dx}\sum c_n x^n = \sum n c_n x^{n-1},\qquad \int \sum c_n x^n\,dx = C + \sum \frac{c_n}{n+1}x^{n+1}\quad (R\ \text{เท่าเดิม})
  42. S26Taylor seriesอนุกรมเทย์เลอร์
    f(x)=∑k=0∞f(k)(a)k!(x−a)k=f(a)+f′(a)(x−a)+f′′(a)2!(x−a)2+⋯f(x) = \sum_{k=0}^{\infty} \frac{f^{(k)}(a)}{k!}(x - a)^k = f(a) + f'(a)(x - a) + \frac{f''(a)}{2!}(x - a)^2 + \cdots
  43. S27Maclaurin series tableตารางอนุกรมแมคลอรินที่ใช้บ่อย
    ex=1+x+x22!+x33!+⋯(R=∞)sin⁡x=x−x33!+x55!−⋯(R=∞)cos⁡x=1−x22!+x44!−⋯(R=∞)ln⁡(1+x)=x−x22+x33−⋯(−1<x≤1)(1+x)α=1+αx+α(α−1)2!x2+⋯(∣x∣<1)11−x=1+x+x2+x3+⋯(∣x∣<1)\begin{aligned} e^x &= 1 + x + \tfrac{x^2}{2!} + \tfrac{x^3}{3!} + \cdots & (R = \infty) \\ \sin x &= x - \tfrac{x^3}{3!} + \tfrac{x^5}{5!} - \cdots & (R = \infty) \\ \cos x &= 1 - \tfrac{x^2}{2!} + \tfrac{x^4}{4!} - \cdots & (R = \infty) \\ \ln(1 + x) &= x - \tfrac{x^2}{2} + \tfrac{x^3}{3} - \cdots & (-1 < x \le 1) \\ (1 + x)^{\alpha} &= 1 + \alpha x + \tfrac{\alpha(\alpha - 1)}{2!}x^2 + \cdots & (|x| < 1) \\ \tfrac{1}{1 - x} &= 1 + x + x^2 + x^3 + \cdots & (|x| < 1) \end{aligned}
  44. S28Lagrange remainderเศษเหลือแบบลากรองจ์
    Rn(x)=f(x)−Pn(x)=f(n+1)(c)(n+1)!(x−a)n+1,∣Rn(x)∣≤M ∣x−a∣n+1(n+1)!R_n(x) = f(x) - P_n(x) = \frac{f^{(n+1)}(c)}{(n+1)!}(x - a)^{n+1},\quad |R_n(x)| \le \frac{M\,|x - a|^{n+1}}{(n+1)!}
  45. I1Principle of mathematical inductionหลักอุปนัยเชิงคณิตศาสตร์
    [ P(n0) ∧ ∀k≥n0: (P(k)⇒P(k+1))] ⟹ ∀n≥n0: P(n)\Big[\,P(n_0)\ \wedge\ \forall k \ge n_0:\ \big(P(k) \Rightarrow P(k+1)\big)\Big] \ \Longrightarrow\ \forall n \ge n_0:\ P(n)
  46. I2Well-ordering principleหลักการจัดอันดับดี
    ∅≠S⊆N ⇒ S มีสมาชิกน้อยที่สุด\varnothing \ne S \subseteq \mathbb{N} \ \Rightarrow\ S\ \text{มีสมาชิกน้อยที่สุด}
  47. I3Strong inductionอุปนัยแบบเข้ม
    [P(n0)∧⋯∧P(k)]⇒P(k+1)\big[P(n_0) \wedge \cdots \wedge P(k)\big] \Rightarrow P(k+1)
  48. I4Inductive step for sumsขั้นอุปนัยของสูตรผลบวก
    ∑i=n0k+1f(i)=∑i=n0kf(i)+f(k+1)⇒P(k)⇒P(k+1)  ⟺  g(k+1)=g(k)+f(k+1)\sum_{i=n_0}^{k+1} f(i) = \sum_{i=n_0}^{k} f(i) + f(k+1) \quad\Rightarrow\quad P(k) \Rightarrow P(k+1) \iff g(k+1) = g(k) + f(k+1)
  49. I5Divisibility stepแม่แบบขั้นอุปนัยของการหารลงตัว
    m∣f(k)  (f(k)=mq)และf(k+1)=c f(k)+m t ⇒ m∣f(k+1)m \mid f(k)\ \ (f(k) = mq) \quad\text{และ}\quad f(k+1) = c\,f(k) + m\,t \ \Rightarrow\ m \mid f(k+1)
  50. I6Inequality chainโซ่อสมการ
    L(k+1)=⋯ L(k)⋯ >IH ⋯ R(k)⋯ ≥ R(k+1)L(k+1) = \cdots\, L(k) \cdots\ \overset{\text{IH}}{>}\ \cdots\, R(k) \cdots\ \ge\ R(k+1)
  51. I7Bernoulli's inequalityอสมการเบอร์นูลลี
    (1+x)n≥1+nx(x≥−1, n∈N)(1 + x)^n \ge 1 + nx\qquad (x \ge -1,\ n \in \mathbb{N})
  52. I8Power rule (n ∈ ℕ)อนุพันธ์ของ xⁿ
    ddxxn=n xn−1\frac{d}{dx}x^n = n\,x^{n-1}
  53. I9nth derivative of 1/xอนุพันธ์อันดับ n ของ 1/x
    dndxn 1x=(−1)n n!xn+1\frac{d^n}{dx^n}\,\frac1x = \frac{(-1)^n\, n!}{x^{n+1}}
  54. I10Laplace of tⁿการแปลงลาปลาซของ tⁿ
    L{tn}=∫0∞tne−st dt=n!sn+1\mathcal{L}\{t^n\} = \int_0^{\infty} t^n e^{-st}\,dt = \frac{n!}{s^{n+1}}
  55. I11Leibniz ruleอนุพันธ์อันดับ n ของผลคูณ
    (fg)(n)=∑k=0n(nk)f(k)g(n−k)(fg)^{(n)} = \sum_{k=0}^{n}\binom{n}{k} f^{(k)} g^{(n-k)}
  56. I12De Moivre's theoremทฤษฎีบทเดอมัวฟร์
    (cos⁡θ+jsin⁡θ)n=cos⁡nθ+jsin⁡nθ(\cos\theta + j\sin\theta)^n = \cos n\theta + j\sin n\theta
  57. I13Discrete-time stateสถานะของระบบเวลาไม่ต่อเนื่อง
    x[n+1]=A x[n] ⇒ x[n]=An x[0]\mathbf{x}[n+1] = A\,\mathbf{x}[n] \ \Rightarrow\ \mathbf{x}[n] = A^n\,\mathbf{x}[0]
  58. I14Loop invariantข้อความคงที่ของลูป
    Inv(0) ∧ (Inv(k)⇒Inv(k+1))⇒Inv(n) เมื่อจบลูป\text{Inv}(0)\ \wedge\ \big(\text{Inv}(k) \Rightarrow \text{Inv}(k+1)\big) \Rightarrow \text{Inv}(n)\ \text{เมื่อจบลูป}

คำถามที่พบบ่อย

ลิมิตกับค่าของฟังก์ชันต่างกันอย่างไร?

ลิมิตบอกว่าฟังก์ชันเข้าใกล้ค่าอะไรเมื่อ x เข้าใกล้ a โดยไม่สนว่า f(a) เป็นเท่าไรหรือนิยามหรือไม่ เช่น (x2−4)/(x−2)(x^2-4)/(x-2) ไม่นิยามที่ x = 2 แต่ลิมิตเท่ากับ 4 ถ้าลิมิตเท่ากับค่าฟังก์ชันพอดี เราเรียกว่าฟังก์ชันต่อเนื่องที่จุดนั้น

0/0 แปลว่าลิมิตเป็นศูนย์หรือไม่มีค่าใช่ไหม?

ไม่ใช่ 0/0 เป็นรูปแบบยังไม่กำหนด (indeterminate) แปลว่ายังตอบไม่ได้ ต้องจัดรูปก่อน เช่น แยกตัวประกอบแล้วตัดกัน คูณคอนจูเกต หรือใช้กฎของโลปิตาล คำตอบอาจเป็นจำนวนใดก็ได้

ใช้กฎของโลปิตาลได้เมื่อไร?

เฉพาะรูปแบบ 0/0 หรือ ∞/∞ เท่านั้น และต้องหาอนุพันธ์ของเศษและส่วนแยกกัน (ไม่ใช่กฎผลหาร) รูปแบบอื่น เช่น 0·∞, ∞ − ∞, 1^∞ ต้องแปลงให้เป็น 0/0 หรือ ∞/∞ ก่อน

ทำไมวิศวกรต้องเรียนนิยาม ε–δ?

เพราะเป็นภาษาเดียวกับข้อกำหนดทางวิศวกรรม: ‘ถ้าต้องการให้เอาต์พุตคลาดไม่เกิน ε ต้องคุมอินพุตให้คลาดไม่เกิน δ’ เช่นการกำหนดค่าความคลาดเคลื่อนของอุปกรณ์ และเป็นพื้นฐานของนิยามอนุพันธ์ ความต่อเนื่อง และเสถียรภาพ

อาจารย์มด · ธีรวุฒิ แสวงบุญ
อาจารย์สาขาวิชาวิศวกรรมไฟฟ้า มหาวิทยาลัยราชภัฏธนบุรี สมุทรปราการ · ดูโปรไฟล์