- •Раздел 2. Дифференциальное исчисление 138
- •Раздел 2. Дифференциальное исчисление лекция 2.1. Множества. Операции над множествами. Отображение множеств. Мощность множества. Множество действительных чисел
- •2.1.1. Множества. Операции над множествами. Отображение множеств
- •Свойства.
- •2.1.2. Множество действительных чисел
- •Лекция 2.2. Переменная величина. Функция одной и нескольких переменных. Способы задания. Основные элементарные функции, их свойства и графики
- •2.2.1. Переменная величина
- •2.2.2. Функция одной и нескольких переменных
- •2.2.3. Способы задания функции
- •2.2.4. Основные свойства функции
- •2.2.5. Классификация функций. Основные элементарные функции, их свойства и графики
- •Основные элементарные функции
- •Лекция 2.3. Предел переменной величины. Предел последовательности. Предел функции в точке. Бесконечно малые и бесконечно большие функции
- •2.3.1. Предел переменной величины.
- •2.3.2. Предел функции
- •2.3.3.Бесконечно малая и бесконечно большая функции, их свойства
- •Лекция 2.4. Теоремы о пределах и их применение. Признаки существования пределов
- •2.4.1. Теоремы о пределах
- •2.4.2. Признаки существования пределов
- •Лекция 2.5. Первый замечательный предел. Второй замечательный предел. Сравнение бесконечно малых функций. Эквивалентные бесконечно малые и теоремы о них
- •2.5.1. Первый замечательный предел
- •2.5.2. Второй замечательный предел
- •2.5.3. Сравнение бесконечно малых функций. Эквивалентные бесконечно малые и теоремы о них
- •Лекция 2.6. Приращение функции одной и двух переменных. Непрерывность функции одной и двух переменных. Точки разрыва
- •2.6.1. Приращение функции одной и двух переменных
- •2.6.2. Непрерывность функции одной и двух переменных
- •2.6.3. Точки разрыва
2.4.2. Признаки существования пределов
Не всякая функция, даже ограниченная, имеет предел. Например, функция при предела не имеет. Во многих вопросах анализа бывает достаточно только убедиться в существовании предела функции. В таких случаях пользуются признаками существования пределов.
Теорема 5. (О пределе промежуточной функции)
Если функция заключена между двумя функциями и , стремящимися к одному и тому же пределу, то она также стремиться к этому пределу, т.е. если , и , то
.
Доказательство:
Так как и , то для любого существуют две окрестности и точки , для всех точек которых соответственно выполняются неравенства и .
Пусть –меньшее из чисел и . Тогда в –окрестности точки выполняются оба неравенства.
По условию , тогда .
Получаем или . Это значит, что , т.е. . Ч. и т. д.
Теорема 6. (О пределе монотонной функции)
Если функция монотонна и ограничена при или при , то существует соответственно её левый предел или её правый предел .
Теорема 7. (Вейерштрасса)
Ограниченная монотонная последовательность , , имеет предел.
Заметим, что теорему 7 можно считать следствием теоремы 6.
Лекция 2.5. Первый замечательный предел. Второй замечательный предел. Сравнение бесконечно малых функций. Эквивалентные бесконечно малые и теоремы о них
2.5.1. Первый замечательный предел
Первым замечательным пределом называется предел вида
(2.5.1)
Доказательство:
Для доказательства формулы (2.5.1) рассмотрим круг радиуса с центром в точке .
Пусть – радиус вектор точки , лежащей на окружности радиуса с центром в точке , образующий угол с осью , дуга численно равна центральному углу (см. рис.2.5.1).
На рис.2.5.1 видно, что площадь треугольника меньше площади сектора , которая в свою очередь меньше площади прямоугольного треугольника , т. е.
.
Так как , то имеем
.
Разделим все части полученного двойного неравенства на , получаем или .
Так как функции и четные (см. п.2.2.4), то полученные неравенства справедливы и при . и .
Тогда по признаку (о пределе промежуточной функции) существования предела (см. теорему 5 п.2.4.2) . Ч. и т. д.
Примеры.
1.
2.
.
2.5.2. Второй замечательный предел
Вторым замечательным пределом называется предел вида
(2.5.2)
или
(2.5.3)
Доказательство:
Для доказательства формулы (2.5.2) рассмотрим прежде предел числовой последовательности , при .
Докажем, что эта последовательность удовлетворяет теореме Вейерштрасса (см. теорема 7 п. 2.2.4), т.е. имеет предел и он равен , иначе говоря
. (2.5.4)
Докажем, что последовательность возрастающая, а значит монотонная, и что она ограничена.
По формуле бинома Ньютона
.
Полагая , , получим
Т. е. (2.5.5)
Из последнего равенства следует, что с увеличением число положительных слагаемых увеличивается, число убывает, поэтому величины , , возрастают, поэтому последовательность – возрастающая, при этом
. (2.5.6)
Покажем, что последовательность – ограничена. Заменим каждую скобку в правой части равенства (2.5.5) на единицу; правая часть увеличится, получим неравенство
.
Усилим полученное неравенство, заменив числа 3, 4, 5, …, стоящие в знаменателях дробей, числом 2:
.
Сумму в скобке найдем по формуле суммы членов бесконечно убывающей геометрической прогрессии с и :
.
Поэтому
. (2.5.7)
Итак, последовательность – ограничена, при этом для выполняются неравенства (2.5.6) и (2.5.7):
.
Следовательно, на основании теоремы Вейерштрасса последовательность , , имеет предел, обозначенный : .
Ч. и т. д.
Число называется неперовым числом. Число иррациональное, его приближенное значение равно . Число принято за основание натурального логарифма.
Докажем теперь что к числу стремится и функция при : .
1. Пусть .
Каждое значение заключено между двумя положительными целыми числами: , где – это целая часть числа . Отсюда следует , , поэтому
.
Если , то . Поэтому согласно формуле (2.5.4), имеем:
.
По признаку (о пределе промежуточной функции) существования пределов (см. теорему 5 п. 2.4.2)
(2.5.8)
2. Пусть .
Сделаем подстановку , тогда и при , . Получаем
т. е.
(2.5.9)
Из равенств (2.5.8) и (2.5.9) вытекает равенство (2.5.2), т.е.
. Ч. и т. д.
Докажем равенство (2.5.3) : выполним подстановку , тогда и при , . Получаем . Ч.и т. д.
Примеры.
1. , т.к. , , то окончательно получим
2.
т.к. то окончательно получим
3.
Выполним подстановку , тогда и при , . Получаем .
Используя прием, рассмотренный в приведенных выше примерах можно найти множество других пределов.
При вычислении пределов вида где возможны варианты.
1. Если то .
2. Если то .