
- •Основные неопределенности и способы их раскрытия
- •Основные виды неопределенностей: , , , , , ,
- •Раскрытие неопределенностей
- •Основные пределы
- •Бесконечно малые функции и их основные свойства
- •8. Непрерывность функции. Точки разрыва. Как исследовать функцию на непрерывность?
- •Непрерывность функции. Точки разрыва и их классификация Понятие непрерывности функции
- •Непрерывность функции в точке и на интервале
- •Классификация точек разрыва
- •Точка разрыва первого рода
- •Точки разрыва второго рода
- •Как исследовать функцию на непрерывность?
- •9. Задачи, приводящие к понятию производной
- •П.3.Односторонние производные
- •4) Не существование производной
|
Определение. Пусть
каждому натуральному числу n поставлено
в соответствие некоторое единственное
действительное число Последовательность
обозначается:
,
n=1, 2,… или Числа По определению любая последовательность содержит бесконечное множество элементов. Часто
последовательность задается при
помощи формулы:
,
Последовательность
может быть задана и другими способами.
Например, если Для задания последовательностей используют также рекуррентные соотношения. При таком способе задания последовательности указывают один или несколько первых ее членов и формулу, которая позволяет найти ее n-й член через предшествующие члены. Например, a b
=1, b Определение. Пусть
даны две числовые последовательности
{a
}
и {b
}.
Суммой, разностью, произведением и
частным этих последовательностей
называются соответственно
последовательности { Определение. Последовательность
{a
}
называется возрастающей (убывающей),
если для любого n Определение. Последовательности
убывающие, возрастающие, неубывающие,
невозрастающие называются монотонными
последовательностями. Например, а)
последовательность a
=n!,
n
N
– возрастающая;
б) последовательность 1, 2, 3, 3, 4, 5, 6, 6,
7, 8, 9, 9,…- неубывающая; в) последовательность
1, Пример
1. Исследовать
на монотонность последовательность a
= Рассмотрим a
-
a
= Пример
2. Исследовать
на монотонность последовательность
a
= Рассмотрим Следует
различать последовательность {a Определение. Последовательность называется ограниченной сверху (снизу), если множество значений ее элементов ограничено сверху (снизу). Определение. Последовательность, ограниченная сверху и снизу, называется ограниченной. Например, последовательность {(-1) } ограниченная; последовательность {n} – ограничена снизу, но не ограничена сверху, следовательно, она неограниченная. Наименьшее из чисел, ограничивающих последовательность {a } сверху, называется ее супремумом и обозначается supa , а наибольшее из чисел, ограничивающих последовательность снизу, называется ее инфимумом и обозначается infa . Пример
3. Доказать,
что последовательность a
= Рассмотрим a
-a a
= Пример
4. Доказать,
что последовательность a
=n |
Бесконечно малые и бесконечно большие последовательности
Определение
Последовательность
называется бесконечно
малой последовательностью (б.м.п.),
если для любого
существует
номер
такой,
что для любого
выполняется
неравенство:
Последовательность
называется бесконечно
большой (б.б.п.),
если для любого
существует
номер
такой,
что для любого
выполняется
неравенство:
Основные свойства б.м. и б.б. последовательностей
1° Сумма б.м. последовательностей есть б.м.п.
2° Произведение ограниченной последовательности и б.м. есть б.м.п.
3° Если - б.м.п., то - ограниченная последовательность.
4° Произведение б.м.п. есть последовательность б.м.
5°
Если
-
б.м.п. и
,
то
,
т.е.
6°
Если
-
б.м.п. и
,
то последовательность
-
б.б.п.
7°
Если
-
б.б.п., то
и
последовательность
-
б.м.п.
Предел функции в точке
Пусть
задано некоторое числовое множество
и
каждому
поставлено
в соответствие число
,
тогда говорят, что на множестве
задана
функция
,
.
Определение предела функции по Коши
Определение
Число
называется пределом
функции
в
точке
,
если для
такое,
что для
из
того, что
следует,
что
:
или
при
.
Определение предела функции по Гейне
Определение
Число
называется пределом
функции
в
точке
,
если для любой последовательности
,
которая сходится к
,
соответствующая последовательность
значений функции
сходится
к
.
Пример
Задание. Сформулировать при помощи неравенств следующее утверждение:
Решение. Сформулируем при помощи определения предела функции по Коши:
По определению предела функции по Гейне имеем:
Полезные равенства
Теорема
Пусть
функции
и
заданы
в некоторой окрестности точки
,
кроме, возможно, самой точки
,
и
и
.
Тогда имеют место следующие равенства:
а)
б)
в)
г)
Теорема
При функция может иметь только один предел.
Односторонние пределы
Определение
Односторонний предел — предел числовой функции, подразумевающий «приближение» к предельной точке с одной стороны. Такие пределы называют соответственно левым и правым пределами.
Левый и правый пределы функции
Определение
Число
называется правым
пределом функции
в
точке
,
если для
такое,
что для любого
и
,
выполняется неравенство
(рис.
1). Правый предел обозначается
Число
называется левым
пределом функции
в
точке
,
если для
такое,
что для любого
и
,
выполняется неравенство
(рис.
2). Левый предел обозначается
Левый и правый пределы функции называются односторонними пределами.
Теорема
Если
существуют
и
,
причем
,
то существует и
.
Обратное утверждение также верно.
В
случае, если
,
то предел
не
существует.
Пример
Задание. Найти
односторонние пределы
функции
при
Решение. Правый
предел:
Левый
предел:
Основные неопределенности и способы их раскрытия
Определение
При вычислении пределов зачастую появляются выражения, значение которых не определено. Такие выражения называют неопределенностями.
Основные виды неопределенностей: , , , , , ,
Все другие выражения не являются неопределенностями и принимают какое-то конкретное конечное или бесконечное значение.
Раскрытие неопределенностей
Для раскрытия неопределенностей используют следующее:
упрощают выражение функции: раскладывают на множители, преобразовывают функцию с помощью формул сокращенного умножения, тригонометрических формул, домножают на сопряженное, что позволяет в дальнейшем сократить и т.д., и т.п.;
замечательные пределы - первый замечательный предел и второй замечательный предел;
правило Лопиталя;
эквивалентные бесконечно малые функции.
Основные пределы
1.
Первый замечательный предел:
Пример
Задание. Вычислить
предел
Решение. Получим
неопределенность, сделаем замену.
При
:
,
Ответ.
2.
Второй замечательный предел:
Пример
Задание. Вычислить
предел
Решение. Получим неопределенность и для решения предела воспользуемся вторым замечательным пределом.
Ответ.
3. Предел частного многочленов на бесконечности:
Пример
Задание. Найти
предел
Решение.
Ответ.
4.
Предел целой рациональной функции: если
,
то
Пример
Задание. Найти
предел функции
в
точке
Решение.
5. Пределы иррациональных выражений:
а) чтобы найти предел дроби, содержащей иррациональное выражение в случае, когда предел и числителя, и знаменателя равен нулю, надо перенести иррациональность из числителя в знаменатель, или из знаменателя в числитель и после этого сделать необходимые упрощения. Иррациональность переносится с помощью домножения и числителя и знаменателя дроби на выражение, сопряженное к иррациональности.
Пример
Задание. Вычислить
предел
Решение. Получим неопределенность и домножим числитель и знаменатель на выражение, сопряженное к иррациональности.
Ответ.
б) Вычисление пределов, содержащих разность корней:
Пример
Задание. Вычислить
предел
Решение. Получим неопределенность и домножим и поделим выражение на сопряженное.
Ответ.
6. Раскрытие неопределенности в частном двух многочленов с помощью разложения на множители:
Пример
Задание. Вычислить
предел
Решение. Получим неопределенность, разложим на множители числитель и знаменатель, сократим одинаковые элементы.
Ответ.
Бесконечно малые функции и их основные свойства
Функция y=f(x) называется бесконечно
малой при x→a или
при x→∞,
если
или
,
т.е. бесконечно малая функция – это
функция, предел которой в данной точке
равен нулю.
П
римеры.
Функция f(x)=(x-1)2 является бесконечно малой при x→1, так как
(см. рис.).
Функция f(x) = tgx – бесконечно малая при x→0.
f(x) = ln (1+x)– бесконечно малая при x→0.
f(x) = 1/x– бесконечно малая при x→∞.
Установим следующее важное соотношение:
Теорема. Если
функция y=f(x) представима
при x→aв
виде суммы постоянного числа b и
бесконечно малой величины α(x):
f (x)=b+ α(x) то
.
Обратно, если , то f (x)=b+α(x), где a(x) – бесконечно малая при x→a.
Доказательство.
Докажем первую часть утверждения. Из равенства f(x)=b+α(x) следует |f(x) – b|=| α|. Но так как a(x) – бесконечно малая, то при произвольном ε найдется δ – окрестность точки a, при всех x из которой, значения a(x) удовлетворяют соотношению |α(x)|<ε. Тогда |f(x) – b|< ε. А это и значит, что .
Если , то при любом ε>0 для всех х из некоторой δ – окрестность точки a будет |f(x) – b|< ε. Но если обозначимf(x) – b= α, то |α(x)|<ε, а это значит, что a – бесконечно малая.
Рассмотрим основные свойства бесконечно малых функций.
Теорема 1. Алгебраическая сумма двух, трех и вообще любого конечного числа бесконечно малых есть функция бесконечно малая.
Доказательство.
Приведем доказательство для двух
слагаемых. Пусть f(x)=α(x)+β(x),
где
и
.
Нам нужно доказать, что при произвольном
как угодно малом ε>0
найдется δ>0,
такое, что для x,
удовлетворяющих неравенству |x
– a|<δ,
выполняется |f(x)|< ε.
Итак, зафиксируем произвольное число ε>0. Так как по условию теоремы α(x) – бесконечно малая функция, то найдется такое δ1>0, что при |x – a|<δ1 имеем |α(x)|< ε/2. Аналогично, так как β(x) – бесконечно малая, то найдется такое δ2>0, что при |x – a|<δ2 имеем | β(x)|< ε/2.
Возьмем δ=min{ δ1, δ2}.Тогда в окрестности точки a радиуса δбудет выполняться каждое из неравенств |α(x)|< ε/2 и | β(x)|< ε/2. Следовательно, в этой окрестности будет
|f(x)|=| α(x)+β(x)| ≤ |α(x)| + | β(x)| < ε/2 + ε/2= ε,
т.е. |f(x)|<ε, что и требовалось доказать.
Теорема 2. Произведение бесконечно малой функции a(x) на ограниченную функцию f(x) при x→a (или при x→∞) есть бесконечно малая функция.
Доказательство. Так как функция f(x) ограничена, то существует число М такое, что при всех значениях x из некоторой окрестности точки a|f(x)|≤M.Кроме того, так как a(x) – бесконечно малая функция при x→a, то для произвольного ε>0 найдется окрестность точки a, в которой будет выполняться неравенство |α(x)|< ε/M. Тогда в меньшей из этих окрестностей имеем | αf|< ε/M= ε. А это и значит, что af – бесконечно малая. Для случая x→∞доказательство проводится аналогично.
Из доказанной теоремы вытекают:
Следствие
1. Если
и
,
то
.
Следствие
2. Если
и c=const,
то
.
Теорема 3. Отношение бесконечно малой функции α(x) на функцию f(x), предел которой отличен от нуля, есть бесконечно малая функция.
Доказательство.
Пусть
.
Тогда 1/f(x) есть
ограниченная функция. Поэтому дробь
есть
произведение бесконечно малой функции
на функцию ограниченную, т.е. функция
бесконечно малая.
СООТНОШЕНИЕ МЕЖДУ БЕСКОНЕЧНО МАЛЫМИ
И БЕСКОНЕЧНО БОЛЬШИМИ ФУНКЦИЯМИ
Теорема 1. Если функция f(x) является бесконечно большой при x→a, то функция 1/f(x) является бесконечно малой при x→a.
Доказательство. Возьмем
произвольное число ε>0 и
покажем, что при некотором δ>0 (зависящим
от ε) при всех x,
для которых |x
– a|<δ,
выполняется неравенство
,
а это и будет означать, что 1/f(x) –
бесконечно малая функция. Действительно,
так как f(x) –
бесконечно большая функция при x→a,
то найдется δ>0 такое,
что как только |x
– a|<δ,
так |f(x)|>1/ ε.
Но тогда для тех же x
.
Примеры.
Ясно, что при x→+∞ функция y=x2+1 является бесконечно большой. Но тогда согласно сформулированной выше теореме функция
– бесконечно малая при x→+∞, т.е.
.
.
Можно доказать и обратную теорему.
Теорема 2. Если функция f(x) - бесконечно малая при x→a (или x→∞) и не обращается в нуль, то y=1/f(x) является бесконечно большой функцией.
Доказательство теоремы проведите самостоятельно.
Примеры.
.
.
, так как функции
и
- бесконечно малые при x→+∞, то
, как сумма бесконечно малых функций есть функция бесконечно малая. Функция же
является суммой постоянного числа и бесконечно малой функции. Следовательно, по теореме 1 для бесконечно малых функций получаем нужное равенство.
Таким образом, простейшие свойства бесконечно малых и бесконечно больших функций можно записать с помощью следующих условных соотношений: A≠ 0
.
ТЕОРЕМЫ О ПРЕДЕЛАХ
Теорема 1. Предел алгебраической суммы двух, трех и вообще определенного числа функций равен алгебраической сумме пределов этих функций, т.е.
.
Доказательство.
Проведем доказательство для двух
слагаемых, так как для любого числа
слагаемых оно проводится так же.
Пусть
.Тогда f(x)=b+α(x) и g(x)=c+β(x),
где α и β –
бесконечно малые функции. Следовательно,
f(x) + g(x)=(b + c) + (α(x) + β(x)).
Так как b + cесть постоянная величина, а α(x) + β(x) – функция бесконечно малая, то
.
Пример.
.
Теорема 2. Предел произведения двух, трех и вообще конечного числа функций равен произведению пределов этих функций:
.
Доказательство. Пусть . Следовательно, f(x)=b+α(x) и g(x)=c+β(x) и
fg = (b + α)(c + β) = bc + (bβ + cα + αβ).
Произведение bc есть
величина постоянная. Функция bβ
+ c α + αβ на
основании свойств бесконечно малых
функций есть величина бесконечно малая.
Поэтому
.
Следствие 1. Постоянный множитель можно выносить за знак предела:
.
Следствие 2. Предел степени равен степени предела:
.
Пример.
.
Теорема 3. Предел частного двух функций равен частному пределов этих функций, если предел знаменателя отличен от нуля, т.е.
.
Доказательство.
Пусть
.
Следовательно, f(x)=b+α(x) и g(x)=c+β(x),
где α,
β –
бесконечно малые. Рассмотрим частное
.
Дробь
является
бесконечно малой функцией, так как
числитель есть бесконечно малая функция,
а знаменатель имеет предел c2≠0.
Примеры.
.
.
Рассмотрим
. При x→1 числитель дроби стремится к 1, а знаменатель стремится к 0. Но так как
, т.е.
есть бесконечно малая функция при x→1, то
.
Т
еорема
4. Пусть
даны три функции f(x),
u(x) и v(x),
удовлетворяющие неравенствам u(x)≤f(x)≤
v(x).
Если функции u(x) и v(x) имеют
один и тот же предел при x→a (или x→∞),
то и функция f(x) стремится
к тому же пределу, т.е. если
,
то
.
Смысл этой теоремы понятен из рисунка.
Доказательство теоремы 4 можно найти, например, в учебнике: Пискунов Н. С. Дифференциальное и интегральное исчисления, т. 1 – М.: Наука, 1985.
Теорема 5. Если при x→a (или x→∞) функция y=f(x) принимает неотрицательные значения y≥0 и при этом стремится к пределу b, то этот предел не может быть отрицательным: b≥0.
Доказательство. Доказательство проведем методом от противного. Предположим, что b<0, тогда |y – b|≥|b| и, следовательно, модуль разности не стремится к нулю при x→a. Но тогда y не стремится к пределу b при x→a, что противоречит условию теоремы.
Теорема
6. Если
две функции f(x) и g(x) при
всех значениях аргумента x удовлетворяют
неравенству f(x)≥
g(x) и
имеют пределы
,
то имеет место неравенство b≥c.
Доказательство. По
условию теоремы f(x)-g(x)
≥0,
следовательно, по теореме 5
,
или
.
ОДНОСТОРОННИЕ ПРЕДЕЛЫ
Д
о
сих пор мы рассматривали определение
предела функции, когда x→a произвольным
образом, т.е. предел функции не зависел
от того, как располагалось x по
отношению к a,
слева или справа от a.
Однако, довольно часто можно встретить
функции, которые не имеют предела при
этом условии, но они имеют предел,
если x→a,
оставаясь с одной стороны от а,
слева или справа (см. рис.). Поэтому вводят
понятия односторонних пределов.
Если f(x) стремится
к пределу b при x стремящемся
к некоторому числу a так,
что xпринимает
только значения, меньшиеa,
то пишут
и
называют bпределом
функции f(x) в точке a слева.
Таким
образом, число b называется
пределом функции y=f(x) при x→aслева,
если каково бы ни было положительное
число ε, найдется такое число δ (меньшее a),
что для всех
выполняется
неравенство
.
Аналогично,
если x→a и
принимает значения большие a,
то пишут
и
называют b пределом
функции в точке а справа.
Т.е. число bназывается пределом
функции y=f(x) при x→a
справа,
если каково бы ни было положительное
число ε, найдется такое число δ (большее а),
что для всех
выполняется
неравенство
.
Заметим, что если пределы слева и справа в точке a для функции f(x) не совпадают, то функция не имеет предела (двустороннего) в точке а.
Примеры.
Р
ассмотрим функцию y=f(x), определенную на отрезке [0,1] следующим образом
Найдем
пределы функции f(x) при x→3.
Очевидно,
,
а
.
.
.
Таблица эквивалентных бесконечно малых при
Как показывает приведённый выше пример 2.36, пределы отношения бесконечно малых можно упрощать, откидывая бесконечно малые слагаемые большего порядка и заменяя множители в числителе и знаменателе на эквивалентные бесконечно малые. Для того, чтобы этот способ вычисления пределов (точнее, раскрытия неопределённостей вида
) можно было применять к возможно большему числу примеров, мы должны иметь достаточно большой запас известных пар эквивалентных бесконечно малых величин. Для наиболее употребительной базы создадим такой запас в виде таблицы "стандартных" эквивалентных бесконечно малых.
Поскольку в этой таблице мы всегда будем рассматривать базу , для простоты записи обозначение этой базы будем пропускать и писать знак
вместо
.
1)
. Эту формулу мы уже доказали и использовали в примерах. Эквивалентность
и
при означает в точности, что первый замечательный предел равен 1.
2)
. Эта эквивалентность тоже была доказана выше в одном из примеров.
3)
. Докажем эту эквивалентность:
4)
. Докажите это в качестве упражнения, сделав замену
и применив предыдущую табличную формулу.
5)
. Для доказательства воспользуемся формулой
. Далее, имеем:
Это означает, что доказываемая эквивалентность имеет место.
6)
(
). Для доказательства этой эквивалентности сделаем такое преобразование:
Для вычисления предела правой части воспользуемся непрерывностью логарифма и вторым замечательным пределом:
и мы доказали формулу 6.
В частном случае, при
, получаем эквивалентность
)
.
7)
( ). Для доказательства сделаем замену
и выразим через
:
. Согласно формуле 6,
при , откуда
. Из непрерывности логарифма следует, что
и, значит,
при
. В этой формуле осталось лишь сменить обозначение переменного на , чтобы получить формулу 7.
В частном случае, при , получаем эквивалентность
)
.
Сведём теперь полученные формулы в итоговую таблицу. Всюду в ней .
1)
.
2)
.
3)
.
4)
.
5)
.
6)
( ).
)
.
7)
( ).
)
.
Приведём примеры применения табличных формул для раскрытия неопределённостей вида .
Пример 2.37 Вычислим предел
. Для этого в числителе вынесем за скобку
, а к знаменателю применим формулу
, где
,
. Получим
Мы заменили
на эквивалентную величину
(учтя при этом, что
при ),
на эквивалентную величину
(учтя, что
при ), затем сократили числитель и знаменатель на и, наконец, воспользовались тем, что функции и
непрерывны и что
и
.
Пример 2.38 Вычислим предел
Заменим в числителе
на эквивалентную величину
, а знаменатель
-- на эквивалентную величину
. После этого можно будет сократить дробь на
и получить ответ:
Ещё раз обратим внимание читателя, что все формулы таблицы эквивалентных бесконечно малых относятся к базе . Следовательно, те же эквивалентности имеют место и при односторонних базах
и
. Если же рассматриваемый пример содержит неопределённость вида
при какой-либо другой базе, то часто предел можно свести к пределу при "стандартной" базе (или , или ) с помощью подходящей замены переменной, а затем воспользоваться табличными эквивалентностями.
Пример 2.39 Вычислим предел
.
Если сделать замену
, то при
новая переменная
будет, очевидно, стремиться к 0, то есть база перейдёт при такой замене в "стандартную" базу
. Подставляя
и учитывая формулу приведения для косинуса, получаем:
Мы применили табличную формулу
, а затем сократили дробь на
и получили ответ.
Применяя формулы таблицы эквивалентностей бесконечно малых последовательно, мы можем получать (и использовать для вычисления пределов) цепочки эквивалентностей произвольной длины.
Пример 2.40 Можно, например, получить следующую формулу:
Здесь мы последовательно воспользовались формулами
и учли, что величины
,
,
,
являются бесконечно малыми при .
Используя полученную в результате эквивалентность