Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Матанализ Билеты 1 Курс.pdf
Скачиваний:
287
Добавлен:
08.02.2015
Размер:
2.63 Mб
Скачать

Достаточность. Пусть lim ( , , E) = 0. Это означает, что

→0+0

> 0 ( ) > 0 : 0 < < ( , , E) < .

Выберем какое-нибудь из указанных . Тогда при 1, 2

E, | 1 2| < будем иметь

| ( 1) − ( 2)| 6

sup | ( 1) − ( 2)|

= ( , , E) < ,

| 12|<

т.е. функция равномерно непрерывна на множестве E.

[:|||||:]

Часть 21

Раскрытие неопределенностей

1Первое правило Лопиталя

Теорема 21.1. Пусть есть функции ( ) и ( ), такие что:

1.и дифференцируемы на интервале ( , ), причем и конечны.

2.lim ( ) = lim ( ) = 0.

→ +0 → +0

3.

( ) = 0

при

 

 

( , )

.

 

 

 

 

 

 

 

 

̸

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.

 

 

lim

 

 

 

R, где R = R {−∞} {+∞}.

 

 

( ) =

 

+0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тогда

 

 

lim

( )

=

 

lim

 

( )

= .

 

 

( )

 

 

( )

 

+0

 

 

 

+0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Доказательство. Доопределим функции ( ) и ( ) в точке , приняв, что ( ) = ( ) = 0. Поскольку в условии теоремы ничего не говорится о значениях функций в этой точке, это

можно сделать. После этого ( ), ( )

C[ , ). Пусть

 

( , ), тогда

для точек и

 

выполняются все условия теоремы Коши, т.е.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( , )

 

( , ) :

( )

=

( ) − ( )

=

( )

.

 

 

 

 

( )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( )

( )

 

( )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

По определению предела, lim

( )

 

=

 

 

>

0

 

 

 

 

)

>

0 :

 

:

< < +

 

( )

 

 

 

 

→ +0

 

 

 

 

 

(

 

 

 

 

 

 

 

( )

< . Но для каждого из указанного интервала найдется

свое

, такое что

( )

 

 

 

 

 

=

 

 

( )

 

( )

 

.

Но

раз

 

( , ), то, очевидно, выполняется

 

 

 

 

<

 

 

 

 

 

< , что и

( )

 

 

( )

 

 

( )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( )

 

 

 

 

 

 

( )

 

 

 

 

( )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

требовалось доказать.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

[:|||||:]

 

 

 

Чтобы применять теорему и для бесконечных интервалов ( , ), достаточно сделать замену

 

 

1

 

 

 

 

1

 

 

 

1

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

и продифференцировать сложную функцию (

( ) )= ( ) · (

 

).

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

59

2Второе правило Лопиталя

Теорема 21.2. Пусть есть функции ( ) и ( ), такие что:

1.и дифференцируемы на интервале ( , ), причем и конечны.

2.lim ( ) = lim ( ) = ∞.

→ +0 → +0

3. ( ) ̸= 0 при ( , ).

 

 

 

 

( )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.

 

lim

 

=

R.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+0

( )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тогда

 

 

lim

( )

=

 

lim

( )

= .

 

( )

 

 

( )

 

+0

 

 

+0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Доказательство. Для начала положим, что 6 0 (при > 0 доказательство практически

 

 

 

 

 

(0

4 )

→ +0

( )

 

 

аналогично приведенному). Пусть

 

 

 

 

, 1 . Тогда по определению предела

lim

( )

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( , ) : ( , )

( )

< . Здесь мы просто приняли, что = + , в остальном

( )

же интерпретация определения

предела

 

не изменилась.

 

 

 

 

Выберем произвольное из данного

 

интервала ( , ). Заметим, что выполняется теорема

Коши:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( ) − ( )

 

=

( )

, где < < < < .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( )

( )

 

 

 

( )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( )

( ) · 1 − ( ) = ( ),

( ) ( )( )

 

1 −

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 −

( )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( )

 

( )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

·

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( )

 

( )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 −

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( )

 

 

 

 

 

Заметим теперь, что lim

 

( )

=

lim

 

( )

 

= 0, т.к. ( )

и ( ) — константы. Тогда

 

 

 

( )

 

→ +0

( )

→ +0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

)

 

выберем для текущего закрепленного

такое ( ) > 0 : ( , + ), + <

<

(( )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

, ( ) < . Тогда получаем следующую оценку:

( )

 

 

 

 

( )

 

 

(

 

 

 

1 − )

 

 

 

 

 

( )

 

1

+

 

 

 

 

1 − ( )

 

 

1

,

 

1 +

.

 

 

 

 

 

1 −

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Поскольку (0, 41 ), то

1+1−

= 1 −

2

 

> 1 − 2

и

1+

= 1 +

2

< 1 + 38 . Учитывая, что

1+

1−

1−

60

→0

( )

( ) U ( ):

 

 

 

 

 

1

( )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( )

 

( )

 

 

 

 

 

 

8

 

 

 

 

 

 

=

 

 

·

 

( )

 

(( − )(1 − 2 ), ( + ) (1 +

 

 

) ) =

 

 

 

( )

( )

 

 

( )

3

 

 

 

 

 

 

 

 

1 −

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( )

 

 

 

 

+ 3 2) )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= ( − ( + 2 − 2 2), + ( + 3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8

 

8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

}.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( ) U ( ), где = max { + 2 − 2 2, + 3 +

3 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( )

 

 

 

 

 

8

8

 

Как видно, lim = 0, а для любого сколь угодно малого всегда можно найти соответ-

ствующее , такое, что все значения отношения функций попадут в заданную -трубку. Это и означает, что предел отношения функций равен . [:|||||:]

Данная теорема также элементарно обобщается на случай бесконечных интервалов.

3Применение на практике

Для начала заметим, что оба правила можно использовать и для вычисления пределов вида

lim ( ) , а также для классического случая lim ( ) . Соответствующие доказательства могут

→ −0 ( ) ( )

быть найдены в других источниках.

Пример вычисления (по первому правилу):

→0+0

(

( →0+0

)

 

( →0+0

) =

 

 

 

 

 

lim

> 0) = exp

lim

ln

= exp lim

ln

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

( →0+0

)

 

 

 

 

 

 

→0+0

 

 

 

 

 

 

 

 

= exp

 

 

 

= exp

= exp(0) = 1.

 

 

 

− −1

 

 

 

lim

 

 

 

 

lim

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Отметим также, что правила Лопиталя напрямую применимы только в случаях, когда имеется неопределенность вида 00 или . Остальные неопределенности для применения правил Лопиталя нужно сводить к этим, например, в случае 1:

(

)

( 1/ ( ) )

lim ( ) = 1, lim ( ) =

lim( ( )) ( ) = exp

lim ( ) ln( ( ))

= exp

lim

ln( ( ))

.

 

Т.е. получили неопределенность вида 00 . Рассмотрим также выражение ∞ − ∞:

lim ( ) = lim ( ) =

lim( ( )

( )) = lim

 

1

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Т.е. неопределенность вида 00 .

Однако правило Лопиталя применимо далеко не всегда:

 

 

 

 

 

 

 

1

1

 

.

1

=

lim

( )

( )

1

1 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( ) · ( )

 

 

 

( )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lim

− sin

=

lim

1

− cos

.

 

→+∞ + sin

 

→+∞ 1

+ cos

61