Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
сборник заданий по матем часть1.pdf
Скачиваний:
403
Добавлен:
20.02.2016
Размер:
3.17 Mб
Скачать

n +1

n

2n

+3 n+1

5.33. lim

.

5.34. lim

2n

 

 

.

n→∞ n 1

 

n→∞

+1

n 1 n+2

n2

1

n4

 

 

 

 

 

 

 

 

5.35. lim

.

 

2

 

5.36. lim

 

 

.

n→∞ n +3

n→∞

n

 

 

 

5.3. Предел функции. Раскрытие простейших неопределенностей

Определение предела функции в точке. Пусть функция y = f (x)

определена в некоторой ε -окрестности точки x0 , кроме, быть может, самой точки x0 (в этом случае говорят, что функция определена в проколотой ε -окрестности точки x0 ).

Первое определение предела функции (по Коши, или «на языке ε δ ») выглядит так.

Число A называется пределом функции f (x), при x x0 (или в точке

x0 ), если для любого сколь угодно малого положительного числа

ε найдется

такое число δ > 0 (вообще говоря, зависящее от ε ), что для всех

x таких, что

x x0 <δ , x x0 выполнено неравенство f (x) A <ε .

Обозначается это так: lim f (x) = A или f (x) A при x x0 .

xx0

Первое определение предела функции равносильно второму определению

(по Гейне, или «на языке последовательностей»), которое выглядит так.

Число A называется пределом функции f (x), при x x0 (или в точке x0 ), если для всякой последовательности {xn } значений аргумента, стремящейся к x0 и такой, что xn x0 для любого n, соответствующая последовательность значений функции {f (xn )}сходится к A .

Пример 5.8. 1. Доказать, пользуясь определением по Коши, что число A = 7 является пределом функции y = 2x +1 при x 3.

2. Доказать, пользуясь определением по Гейне, что число A = 3 является

пределом функции f (x) = x2 x 2 при x 2 . x 2

183

Р е ш е н и е : 1) рассмотрим произвольное ε > 0 . Требуется найти для него такое число δ > 0 , что для всех x , таких, что x 3 <δ , x 3, было бы выпол-

нено неравенство

 

f (x) 7

 

=

 

2x +17

 

<ε .

 

 

 

 

 

ε

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Последнее неравенство приводится к виду

 

2x 6

 

<ε

или

 

x 3

 

<

. Та-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ким образом, если принять δ = ε , то выполнены все условия определения пре-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

дела по Коши. Это и значит, что lim(2x +1) = 7 ;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2) пусть {xn } – произвольная

последовательность,

такая,

что lim xn = 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n→∞

и xn 2 для любого n. Тогда lim f (xn ) = lim

xn

2 xn 2

 

= lim

(xn +1)(xn 2)

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n→∞

 

n→∞

 

xn 2

 

 

 

n→∞

xn 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Далее, так как xn 2 ,

 

xn 2 0, то мы имеем право сократить дробь на

xn 2: lim

(xn +1)(xn 2)

 

= lim(xn +1) = lim xn +1 = 2 +1 = 3.

 

 

 

 

 

 

 

 

n→∞

xn

2

 

n→∞

n→∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Согласно определению предела функции по Гейне, это и значит, что

lim

x2

x 2

= 3.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f (x) = sin 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пример 5.9. Доказать, что функция

не имеет предела в точ-

ке x0

= 0 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Р е шен и е .

Воспользуемся определением предела функции в точке по

Гейне.

Рассмотрим

последовательность

xn=

 

 

1

 

 

.

Тогда

lim xn= 0 и

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ 2πn

 

 

n→∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

= lim sin(π + 2πn) = lim 1 =1.

xn0

для всякого

n N .

 

При этом lim

f (xn)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n→∞

 

 

n→∞

2

 

n→∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

Если же выбрать последовательность xn

=

 

 

 

 

 

 

( xn0для всех n N ),

3π

+ 2πn

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

которая также является бесконечно малой, то

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lim f (xn′′) =

lim sin(

3π

 

+ 2πn)

= lim (1) = −1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n→∞

 

n→∞

2

 

 

n→∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

′′

 

Таким образом, мы нашли две различные последовательности {xn} и

 

сходящиеся к числу

x0 = 0,

для которых соответствующие последова-

{xn },

тельности {f

 

′′

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(xn )}

и {f (xn )}сходятся к различным числам. Это вступает в про-

184

тиворечие со вторым определением предела функции, следовательно функция

f (x) = sin 1 не имеет предела в точке x0

= 0 .

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

Определение предела функции

на

бесконечности. Пусть функция

y = f (x) определена на бесконечном промежутке (a;+∞) .

Число A называется пределом функции

f (x)

при x → +∞, если для л ю-

бого сколь угодно малого положительного

числа

ε найдется такое число

M > 0 , что для всех значений x > M выполнено неравенство

 

f (x) A

 

<ε .

 

 

Обозначается это так: lim f (x) = A или

f (x) A при x → +∞.

x→+∞

 

 

 

 

 

 

 

Равносильное определение предела функции на «на языке последователь-

ностей» будет выглядеть так.

 

 

 

 

 

 

 

Число A называется пределом функции f (x),

при x → +∞, если для вс я-

кой последовательности xn такой, что lim xn

= +∞,

соответствующая последо-

n→∞

 

 

 

 

 

 

вательность значений функции f (xn ) сходится к A .

 

 

 

 

 

Аналогично определяется lim f (x) и lim f (x) .

x→−∞

x→∞

 

 

 

 

 

Бесконечно малые и бесконечно большие функции. Функция y = f (x)

называется бесконечно большой при x x0 (в точке x0 ), если для всякого числа M > 0 найдется такое число δ > 0 , что для всех x таких, что x x0 <δ ,

x x0 выполнено неравенство

 

f (x)

 

> M

(или если для всякой последователь-

 

 

ности xn такой, что lim xn = x0 , имеет место равенство lim f (xn ) = ∞).

n→∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n→∞

 

Функция y = f (x) называется бесконечно малой при

x x0 (в точке

x0 ), если lim f (x) = 0 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xx0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пример 5.10. Доказать, что функция

f (x) = 2x является бесконечно ма-

лой при x → +∞.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Р е шен и е . Требуется доказать, что lim 2x = 0 , т.е. что для любого чис-

 

 

 

 

 

x→+∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ла ε > 0 существует число M > 0 , такое, что

 

 

 

2x

0

 

 

 

<ε

для всех x > M .

 

 

 

 

Рассмотрим любое ε > 0 . Неравенство

 

2x

0

 

<ε

равносильно неравен-

 

 

ству 2x <ε и, далее, неравенствам x ln 2 < lnε

, x >

lnε

 

= ln 2ε . Таким об-

ln 2

разом, для всякого ε > 0 найдено число

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

M = ln 2ε из определения предела.

Это и означает, что lim 2x = 0 .

x→+∞

185

Свойства бесконечно малых функций.

1.Сумма и произведение любого конечного числа бесконечно малых при x x0 функций есть бесконечно малая при x x0 функция;

2.Произведение ограниченной функции на бесконечно малую есть бесконечно малая функция;

3.Функция y = f (x) является бесконечно малой при x x0 тогда и

только тогда, когда y = f 1(x) – бесконечно большая при x x0 ( 10 = ∞,

1 = 0).

Операции над пределами функций.

1. Если lim f (x) = A, lim g(x) = B , то:

xx0

xx0

а) lim f (x) ± g(x) = A ± B ;

xx0

б) lim cf (x) = cAдля любого c R ;

xx0

в) lim f (x)g(x) = AB ;

xx0

г) lim f (x) = A , если B 0. xx0 g(x) B

2. Если lim f (x) = A, lim g(y) = B , то lim g( f (x)) = B .

xx0

yA

xx0

3. Для всех основных элементарных функций в любой точке x0 их обла-

сти определения имеет место равенство lim f (x) = f (lim x) = f (x0 ) .

 

 

xx0

 

 

xx0

Говорят, что отношение двух функций

f (x)

 

при x x0 представляет

g(x)

 

 

0

 

 

 

собой неопределенность вида

, если lim f (x) = 0

,

lim g(x) = 0. Аналогично

 

0

xx0

 

 

xx0

 

 

 

 

определяются неопределенности вида , ∞−∞, 0 , 00 , 0 , 1.

Пример 5.11. Найти следующие пределы:

 

3x2

2

 

 

 

x2 9

 

 

 

3

 

1) lim

;

2) lim

; 3) lim

 

x 1

;

 

 

 

 

 

 

 

 

5x2

4x +1

2x2 4x 6

 

x 10

x1

 

x3

x10

 

186

4)

lim

14x + 4x2 ;

5)

lim(14cos x)2x .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x→+∞

5x

2

+1

 

x→+∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Р е шен и е : 1) справедлива цепочка равенств

 

 

 

 

 

 

 

lim

 

3x

2

2

 

 

=

lim(3x2

2)

=

3(lim x)2

2

=

3 2

 

=

1 .

 

 

 

 

x1

 

 

x1

 

 

 

 

 

4x +1

lim(5x2

4x +1)

5(lim x)2 4lim x +1

5 4 +1

x1 5x2

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

x1

 

 

 

x1

x1

 

 

 

 

 

Здесь мы воспользовались теоремами об арифметических действиях над пределами и теоремой о пределе элементарной функции:

2) поскольку пределы числителя и знаменателя равны нулю, мы имеем дело с неопределенностью вида 00 . «Раскроем» эту неопределенность, т.е. из-

бавимся от нее, разложив числитель и знаменатель на множители и сократив дробь на x 3:

lim

x2 9

= lim

(x 3)(x +3)

= lim

x +3

=

3 +3

=

6

=

3

;

2x2 4x 6

2(x 3)(x +1)

2(x +1)

2(3

+1)

8

4

x3

x3

x3

 

 

 

 

3) опять имеем неопределенность вида 00 . Для ее раскрытия умножим

числитель и знаменатель дроби на выражение, сопряженное к числителю и воспользуемся формулой разности квадратов:

 

 

 

 

 

3

 

(

 

 

3)(

 

 

+3)

 

x 19

 

 

lim

 

 

x 1

= lim

 

x 1

x 1

= lim

 

=

 

 

x 10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x10

 

x10

 

 

x 10( x 1 +3)

x10

x 10( x 1

+3)

 

= lim

1

 

 

 

=

1

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( x 1 +3)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4) числитель и знаменатель дроби представляют собой бесконечно большие при x → +∞ функции, поэтому здесь имеет место неопределенность вида

. Поступая как при вычислении предела последовательности, разделим числитель и знаменатель дроби на старшую степень x :

 

 

 

 

 

 

1

4

 

 

 

 

 

14x + 4x2

= lim

 

 

x + 4

 

4

 

lim

x2

=

;

5x

 

+1

 

 

 

5

x→+∞

2

x→+∞

 

1

 

 

 

 

 

 

5 +

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x2

 

3 <14cos x < 5, т.е. функция

5)

справедливо неравенство

 

y =14cos x является ограниченной на всей числовой оси, а потому при ее умножении на бесконечно малую при x → +∞ функцию y = 2x получим так-

187

же бесконечно малую

при x → +∞ функцию. Таким образом,

lim(14cos x)2x = 0.

 

x→+∞

 

Пределы функций и неравенства.

1. Если lim f (x) = A, lim g(x) = B , и f (x) g(x) для всех x из некото-

xx0

xx0

рой проколотой ε -окрестности точки x0 , то A B .

2. Если предел функции в данной точке положителен (отрицателен), то и все значения указанной функции положительны (отрицательны) в некоторой проколотой окрестности этой точки (обратное, вообще говоря, неверно: напри-

мер, пределом последовательности с положительными членами xn = 1n является число ноль).

3. Пусть функции f (x), f1 (x), f2 (x) определены в некоторой проколо-

той ε - окрестности точки x0 и

f1 (x) f (x) f2 (x) для всех из этой окрестно-

сти. Пусть также lim f1

(x) = lim f2

(x) = A. Тогда lim f (x) также существует и

xx0

xx0

 

xx0

равен A (теорема о промежуточной переменной).

4. Если функция имеет предел в данной точке, то она ограничена в некоторой окрестности этой точки.

Задачи для самостоятельного решения

5.37. Пользуясь первым определением предела (по Коши), доказать, что:

а) lim(3x + 2)= −1;

б) lim(2 x)=1;

x→−1

 

 

 

 

x1

 

в) lim

1

=

1

;

г) lim x2

= 4 .

x3

x

 

3

 

x2

 

5.38. Пользуясь вторым определением предела (по Гейне), доказать, что:

а) lim(x2

x) = 6 ;

б) lim(x2

3x +6)= 4;

x→−2

 

 

 

 

 

 

x2

 

 

 

 

=

 

 

 

;

 

 

в) lim

 

 

3

г) lim(x + 2a)5

= 243a5 .

1

x2

 

 

 

1

 

2

 

 

xa

 

 

x2

 

 

 

 

 

5.39. Доказать, что функция y = f (x) не имеет предела в точке x = x0 :

а)

f (x) = cos x, x0 = +∞;

б) f (x) = tgx, x0

=

π

;

 

 

 

 

2

 

в)

f (x) = sign x , x0 = 0 ;

 

 

 

 

188

 

1,

если x рациональное

(функция Дирихле),

x0

=

1 .

г) f (x) =

 

если x иррациональное

0,

 

 

 

2

5.40. Доказать, что функция y = f (x) является бесконечно малой при x → +∞:

а) f (x) = sinx x ;

в)

f

(x) = cos3 x

 

;

 

 

 

 

 

 

 

 

x +1

 

 

Найти пределы:

 

 

5.41. lim

 

x2 5x +6

 

.

 

 

 

 

 

 

x

2

9

 

 

 

x3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.43. lim

1

x2

.

 

 

 

 

 

 

1

x3

 

 

 

 

 

 

x1

 

 

 

 

 

 

 

5.45. lim

 

 

3t2 t 2

.

 

 

 

 

2t2 +5t

7

 

 

 

t1

 

 

 

 

 

5.47. lim

 

 

 

2y2 +5y + 2

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y→−2 2y3 +7 y2 +6y

 

5.49.lim132α .

α0 3α 1

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

6

 

 

 

5.51. lim

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

x2

 

9

x3

x 3

 

 

 

 

 

 

5.53. lim

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x0

 

2

x + 4

 

 

 

 

 

 

 

5.55. lim

 

 

 

 

 

 

 

p +1

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p→−1

1

1+ p + p2

 

 

5.57. lim

 

 

 

x

8

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x8

 

3

 

x 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.59. lim

 

 

 

 

x2 + x 12

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x3

 

 

 

 

x 2

 

4 x

 

 

б) f (x) = 1x + 21x ;

г) f (x) = (cos x +sin x)ex .

5.42. lim

 

 

x2

 

6x +8

.

 

 

 

 

 

x2

8x

+12

 

 

 

 

x2

 

 

 

 

 

 

 

5.44. lim

a2

 

x

2

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ x

 

 

 

 

 

 

 

 

x→−a a3

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.46. lim

 

x3

6x2 +11x 6

.

 

 

 

 

 

 

x

2

 

 

3x + 2

x1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.48. lim

 

 

 

 

 

cos 2ϕ

 

 

.

 

 

 

sinϕ cosϕ

 

 

xπ

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.50. lim

 

x5

1

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x4

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

5.52. lim

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

1x

1x3

 

x3

 

 

 

 

 

 

 

5.54. lim

 

1x2

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

5.56. lim

 

 

 

 

x2 + 4

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x0

 

 

 

 

x

2

+

 

 

9 3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.58. lim x 1.

x1 3 x 1

 

 

 

 

 

.

5.60. lim

 

x +10

4 x

 

2x

 

 

 

 

 

x→−3

2

x 21

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

189