Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
мат анализ экзамен ответы.doc
Скачиваний:
0
Добавлен:
01.07.2025
Размер:
4.97 Mб
Скачать
  1. Числовые последовательности. Монотонность. Ограниченность

Определение. Пусть каждому натуральному числу n поставлено в соответствие некоторое единственное действительное число  (при этом разным натуральным числам n могут соответствовать и одинаковые действительные числа). В этом случае на множестве натуральных чисел определена функция:  , которая называется числовой последовательностью или просто последовательностью.

Последовательность обозначается:  , n=1, 2,… или  .

Числа  ,… называются членами последовательности или ее элементами,  – общим членом последовательности, n – номером члена  .

По определению любая последовательность содержит бесконечное множество элементов.

Часто последовательность задается при помощи формулы:  . В этом случае эта формула называется формулой общего члена последовательности { }. Например,  = , ;

Последовательность может быть задана и другими способами. Например, если   – число всех различных делителей числа n, то  - последовательность, для которой  =1,  =2,  =2,  =3,  =2,  =4,  =2,…

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 =1, a +1 при n=1, 2,…;

b =1, b =2, b =2b +b  при n 3.

Определение. Пусть даны две числовые последовательности {a } и {b }. Суммой, разностью, произведением и частным этих последовательностей называются соответственно последовательности {  }, {  }, { }, { }; последнее при условии, b 0, n=1, 2,…. Произведением последовательности {a } на число k, называется последовательность {ka }.

Определение. Последовательность {a } называется возрастающей (убывающей), если для любого n N справедливо неравенство a >a  (a <a ). Последовательность {a } называется неубывающей (невозрастающей), если для любого n N справедливо неравенство a a  (a a ).

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,  , 3,  , 5,  , 7,  ,…  – немонотонная.

Пример 1. Исследовать на монотонность последовательность a = , n N.

Рассмотрим a - a  

=  при любом n N, следовательно, a >a  при любом n N, то есть последовательность возрастающая.

Пример 2. Исследовать на монотонность последовательность a = - .

Рассмотрим  = = = =  при любом n N, следовательно, a <a  при любом n N, то есть последовательность убывающая.

Следует различать последовательность {a }, то есть множество элементов a , n N (оно всегда бесконечно) и множество значений ее элементов. Например, для последовательности {(-1) } множество значений ее элементов состоит из двух чисел –1 и 1.

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 = , n N, является ограниченной.

Рассмотрим a -a =  при любом n N, то есть a <a , следовательно, последовательность возрастает и ограничена снизу числом a = .

a =  при любом n N, следовательно, последовательность ограничена сверху числом 1. Последовательность, ограниченная сверху и снизу, является ограниченной.

Пример 4. Доказать, что последовательность a =n , n N, не является ограниченной. Очевидно, что данная последовательность ограничена снизу, так как a >0 для любых n N. Предположим, что она ограничена сверху, то есть существует такое число M>0, что n M для любого n N. Пусть m=[ ]+1 – целое число, тогда m =([ ]+1) > > ( ) =M. Мы получили, что существует номер m такой, что a =m >M – противоречие с предположением. Следовательно, данная последовательность не является ограниченной. Очевидно, что возрастающая последовательность {a } всегда ограничена снизу, а убывающая сверху числом a .

  1. 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.

  1. 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.

  1. 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: 

  1. 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:

  1. упрощают выражение функции: раскладывают на множители, преобразовывают функцию с помощью формул сокращенного умножениятригонометрических формул, домножают на сопряженное, что позволяет в дальнейшем сократить и т.д., и т.п.;

  2. замечательные пределы - первый замечательный предел и второй замечательный предел;

  3. правило Лопиталя;

  4. 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. 

  1. Бесконечно малые функции и их основные свойства

Функция y=f(x) называется бесконечно малой при xa или при x→∞, если   или  , т.е. бесконечно малая функция – это функция, предел которой в данной точке равен нулю.

П римеры.

  1. Функция f(x)=(x-1)2 является бесконечно малой при x→1, так как   (см. рис.).

  2. Функция f(x) = tgx – бесконечно малая при x→0.

  3. f(x) = ln (1+x)– бесконечно малая при x→0.

  4. f(x) = 1/x– бесконечно малая при x→∞.

Установим следующее важное соотношение:

Теорема. Если функция y=f(x) представима при xaв 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 xa.

Доказательство.

  1. 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  .

  2. 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 xa (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 xa, 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 xдоказательство 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 xa, то функция 1/f(x) является бесконечно малой при xa.

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 xa, то найдется δ>0 такое, что как только |x – a|<δ, так |f(x)|>1/ ε. Но тогда для тех же x .

Примеры.

  1. Ясно, что при x+∞ функция y=x2+1 является бесконечно большой. Но тогда согласно сформулированной выше теореме функция  – бесконечно малая при x+∞, т.е.  .

  2. .

Можно доказать и обратную теорему.

Теорема 2. Если функция f(x) - бесконечно малая при xa (или x∞) и не обращается в нуль, то y=1/f(x) является бесконечно большой функцией.

Доказательство теоремы проведите самостоятельно.

Примеры.

  1. .

  2. .

  3. , 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.

  1. .

  2. .

  3. Рассмотрим  . При x1 числитель дроби стремится к 1, а знаменатель стремится к 0. Но так как  , т.е.  есть бесконечно малая функция при x1, 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 xa (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 xa (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 xa. Но тогда y не стремится к пределу b при xa, 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 xa 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 xa, 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 xaслева, если каково бы ни было положительное число ε, найдется такое число δ (меньшее a), что для всех  выполняется неравенство  .

Аналогично, если xa 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 xa 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.

  1. Р ассмотрим функцию y=f(x), определенную на отрезке [0,1] следующим образом

Найдем пределы функции f(x) при x3. Очевидно,  , а  .

  1. .

  2. .

  1. Таблица эквивалентных бесконечно малых при 

  2. 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.

  3. Поскольку в этой таблице мы всегда будем рассматривать базу  , для простоты записи обозначение этой базы будем пропускать и писать знак   вместо  .

  4. 1)  . Эту формулу мы уже доказали и использовали в примерах. Эквивалентность   и   при   означает в точности, что первый замечательный предел равен 1.

  5. 2)  . Эта эквивалентность тоже была доказана выше в одном из примеров.

  6. 3)  . Докажем эту эквивалентность:

  7. 4)  . Докажите это в качестве упражнения, сделав замену   и применив предыдущую табличную формулу.

  8. 5)  . Для доказательства воспользуемся формулой  . Далее, имеем:

  9. Это означает, что доказываемая эквивалентность имеет место.

  10. 6)   (  ). Для доказательства этой эквивалентности сделаем такое преобразование:

  11. Для вычисления предела правой части воспользуемся непрерывностью логарифма и вторым замечательным пределом:

  12. и мы доказали формулу 6.

  13. В частном случае, при  , получаем эквивалентность

  14. .

  15. 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.

  16. В частном случае, при  , получаем эквивалентность

  17. .

  18. Сведём теперь полученные формулы в итоговую таблицу. Всюду в ней  .

    1)

    .

    2)

    .

    3)

    .

    4)

    .

    5)

    .

    6)

     (  ).

    )

    .

    7)

     (  ).

    )

    .

  19. Приведём примеры применения табличных формул для раскрытия неопределённостей вида  .

  20.         Пример 2.37   Вычислим предел  . Для этого в числителе вынесем за скобку  , а к знаменателю применим формулу  , где  . Получим

  21. 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  .     

  22.         Пример 2.38   Вычислим предел 

  23. Заменим в числителе   на эквивалентную величину  , а знаменатель   -- на эквивалентную величину  . После этого можно будет сократить дробь на  и получить ответ:

  24.     

  25. 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.

  26.         Пример 2.39   Вычислим предел  .

  27. 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:

  28. Мы применили табличную формулу  , а затем сократили дробь на   и получили ответ.     

  29. Применяя формулы таблицы эквивалентностей бесконечно малых последовательно, мы можем получать (и использовать для вычисления пределов) цепочки эквивалентностей произвольной длины.

  30.         Пример 2.40   Можно, например, получить следующую формулу:

  31. Здесь мы последовательно воспользовались формулами

  32. и учли, что величины   являются бесконечно малыми при  .

  33. Используя полученную в результате эквивалентность