利用二元泰勒公式计算二元函数极限一例
作者：互联网
问题：设\(\displaystyle f\left( x,y \right)\)是定义在区域\(\displaystyle 0\leqslant x\leqslant 1\)，\(\displaystyle 0\leqslant y\leqslant 1\)上的二元连续函数，\(\displaystyle f\left( 0,0 \right) =0\)，且在\(\displaystyle \left( 0,0 \right)\)处，\(\displaystyle f\left( x,y \right)\)可微，求极限
\[I=\lim_{x\rightarrow 0^+} \frac{\int_0^{x^2}{\text{d}t}\int_x^{\sqrt{t}}{f\left( t,u \right) \text{d}u}}{1-e^{-\frac{1}{4}x^4}} \]过程如下：首先利用等价无穷小及交换二重积分次序，对极限式做出简化
\[\begin{align*} I&=\lim_{x\rightarrow 0^+} \frac{\int_0^{x^2}{\text{d}t}\int_x^{\sqrt{t}}{f\left( t,u \right) \text{d}u}}{1-e^{-\frac{1}{4}x^4}} \\ &=-4\lim_{x\rightarrow 0^+} \frac{\int_0^{x^2}{\text{d}t}\int_{\sqrt{t}}^x{f\left( t,u \right) \text{d}u}}{x^4} \\ &=-4\lim_{x\rightarrow 0^+} \frac{\int_0^x{\text{d}u}\int_0^{u^2}{f\left( t,u \right) \text{d}t}}{x^4} \end{align*} \]对于极限\(\displaystyle\lim_{x\rightarrow 0^+} \frac{\int_0^x{\text{d}u}\int_0^{u^2}{f\left( t,u \right) \text{d}t}}{x^4}\)，使用洛必达法则及积分中值定理，有
\[\begin{align*} \lim_{x\rightarrow 0^+} \frac{\int_0^x{\text{d}u}\int_0^{u^2}{f\left( t,u \right) \text{d}t}}{x^4}&=\lim_{x\rightarrow 0^+} \frac{\int_0^{x^2}{f\left( t,x \right) \text{d}t}}{4x^3} \\ &=\lim_{x\rightarrow 0^+} \frac{x^2\cdot f\left( \xi ,x \right)}{4x^3} \\ &=\frac{1}{4}\lim_{x\rightarrow 0^+} \frac{f\left( \xi ,x \right)}{x} \end{align*} \]其中\(\displaystyle \xi \in \left( 0,x^2 \right)\)
根据二元函数\(\text{Taylor}\)公式，我们有
\[\begin{align*} f\left( \xi ,x \right) &=f\left( 0,0 \right) +f_x\left( 0,0 \right) \xi +f_y\left( 0,0 \right) x+o\left( \sqrt{\xi ^2+x^2} \right) \\ &=f_x\left( 0,0 \right) \xi +f_y\left( 0,0 \right) x+o\left( \sqrt{\xi ^2+x^2} \right) \end{align*} \]所以有
\[I=-f_y\left( 0,0 \right) -\lim_{x\rightarrow 0^+} \frac{f_x\left( 0,0 \right) \xi +o\left( \sqrt{\xi ^2+x^2} \right)}{x} \]以下，我们来计算这两个极限：
\[\lim_{x\rightarrow 0^+} \frac{f_x\left( 0,0 \right) \xi}{x},\quad \lim_{x\rightarrow 0^+} \frac{o\left( \sqrt{\xi ^2+x^2} \right)}{x} \]一方面，由于
\[0\leqslant \lim_{x\rightarrow 0^+} \left| \frac{f_x\left( 0,0 \right) \xi}{x} \right|\leqslant \lim_{x\rightarrow 0^+} \left| \frac{f_x\left( 0,0 \right) x^2}{x} \right|=\lim_{x\rightarrow 0^+} \left| f_x\left( 0,0 \right) x \right|=0 \]所以有\(\displaystyle \lim_{x\rightarrow 0^+} \frac{f_x\left( 0,0 \right) \xi}{x}=0\)
另一方面，由于
\[\begin{equation*} \lim_{x\rightarrow 0^+} \frac{o\left( \sqrt{\xi ^2+x^2} \right)}{\sqrt{\xi ^2+x^2}}=0 \\ 0\leqslant \frac{\sqrt{\xi ^2+x^2}}{x}=\sqrt{\frac{\xi ^2+x^2}{x^2}}\leqslant \sqrt{\frac{x^4+x^2}{x^2}}=\sqrt{x^2+1}\leqslant \sqrt{2} \end{equation*} \]所以有
\[\lim_{x\rightarrow 0^+} \frac{o\left( \sqrt{\xi ^2+x^2} \right)}{x}=\lim_{x\rightarrow 0^+} \frac{\sqrt{\xi ^2+x^2}\cdot o\left( \sqrt{\xi ^2+x^2} \right)}{x\sqrt{\xi ^2+x^2}}=0 \]因此有
\[\begin{align*} I&=-f_y\left( 0,0 \right) -\lim_{x\rightarrow 0^+} \frac{f_x\left( 0,0 \right) \xi +o\left( \sqrt{\xi ^2+x^2} \right)}{x} \\ &=-f_y\left( 0,0 \right) -0-0 \\ &=-f_y\left( 0,0 \right) \end{align*} \]故所求极限\(\displaystyle I=-f_y\left( 0,0 \right)\).
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