- •Единственность предела сходящейся последовательности
- •Ограниченность сходящейся последовательности
- •Свойства бесконечно малых последовательностей.
- •Арифметические свойства сходящихся последовательностей.
- •Теорема Кантора о вложенных отрезках
- •Теорема Больцано-Вейерштрасса об ограниченных последовательностях.
- •Критерий Коши сходимости последовательности.
- •*Теорема о существовании точных границ числовых множеств.
- •*Принцип Бореля-Лебега
- •*Теорема Больцано-Вейерштрасса о существовании предельной точки у ограниченного числового множества
- •Эквивалентность 2х определений предела функции в точке
- •*Критерий Коши предела функции в точке
- •Непрерывность сложной функции
- •Теоремы Вейерштрасса для непрерывных функций на отрезке
- •Теорема Больцано-Коши о нулях функции
- •*Теорема о существовании обратной функции
- •*Теорема о существовании и непрерывности обратной функции
- •Непрерывность дифференцируемой функции
- •Доказательство
- •Производная и дифференцируемость функции в точке
- •Дифференцируемость функции в точке: правила дифференцирования, дифференцируемость сложной функции
- •Правила дифференцирования
- •25. Теоремы о среднем: Ферма, Ролля, Лагранжа, Коши Теоремы Ферма и Ролля.
- •Теоремы Коши и Лагранжа.
- •26. Правила Лопиталя
- •27. *Теорема Тейлора
- •28. Достаточные условия экстремума
- •29. Точки возрастания функции и второе достаточное условия экстремума функции в точке
Непрерывность сложной функции
Если
функция
непрерывна
в точке
,
а функция
непрерывна
в точке
,
где
,
то сложная функция
непрерывна
в точке
.
Доказательство. Пусть
.
Тогда в силу непрерывности в
точке
функции
последовательность
сходится
к
.
Но тогда, в силу непрерывности уже
функции
в
точке
,
последовательность
сходится
к
.
Итак, из определения Гейне следует, что
функция
непрерывна
в точке
.
Если
считать, что существуют
пределы
при
и
при
,
то в теореме доказано,
что
Это равенство можно понимать как правило замены переменной при нахождении пределов.
Теоремы Вейерштрасса для непрерывных функций на отрезке
Напомним,
что функция
непрерывна
на отрезке
,
если она непрерывна во всех точках
интервала
и
непрерывна справа в точке
и
слева в точке
.
Для таких функций имеет место ряд важных теорем.
Теорема 6.2.1 (первая теорема Вейерштрасса). Если функция непрерывна на отрезке , то она ограничена на нем.
Необходимо
доказать, что существует
,
что для всех
выполняется
.
Доказательство (от
противного). Пусть для всякого
найдется
такая точка
,
что
:
для
найдется
;
для
найдется
и
т. д.,
. . . . . . . .
для
найдется
и
т. д.,
. . . . . . . .
Итак,
построена последовательность
такая,
что для всех
:
.
Ясно, что
.
Последовательность
,
т. е. ограничена. Следовательно, по
теореме Больцано - Вейерштрасса,
существует подпоследовательность
такая,
что
.
Так как функция
непрерывна
на отрезке
,
она непрерывна и в точке
.
Итак, имеем
,
но по построению
,
что является противоречием.
Теорема
6.2.2 (вторая теорема Вейерштрасса). Непрерывная
функция
на
отрезке
достигает
в некоторых точках отрезка
своих
точных верхней и нижней границ, т. е.
существуют
такие,
что
Доказательство. Докажем
существование точки максимума функции
,
т.е. точки
,
в которой значение функции равно точной
верхней грани множества значений
функции
.
По предыдущей теореме
6.2.1 непрерывная
на отрезке
функция
является
ограниченной на этом отрезке, следовательно,
ограничена сверху, например, числом
,
т. е. для всех
.
Тогда существует точная верхняя
граница
множества
значений функции
на
отрезке
,
т.е. такое число
,
что
1)
для всех
;
2)
для любого
существует
точка
.
Возьмем
последовательные значения
Тогда
построена последовательность
.
Эта последовательность ограничена.
Следовательно, по теореме Больцано -
Вейерштрасса из нее можно выделить
подпоследовательность
такую,
что
.
Функция
непрерывна
в точке
.
Следовательно,
,
но, с другой стороны, для всех
выполняется
.
В силу свойства 3.2.5 сходящихся
последовательностей заключаем, что
.
Итак,
.
Замечание
6.2.1. Если
функция разрывна, то теорема
6.2.2,
вообще говоря, неверна. Например,
,
(см.
рис. 6.2.1). Значение, равное
,
функцией не достигается.
Рис.
6.2.1
Рис. 6.2.2
Теорема
6.2.3. Если
функция
непрерывна
на отрезке
,
ее значения на концах отрезка
и
не
равны нулю и имеют разные знаки, то на
интервале
имеется
по крайней мере одна точка
такая,
что
.
Доказательство (метод
Больцано деления отрезка пополам).
Пусть
(см.
рис. 6.2.3).
Рис.
6.2.3
Обозначим
отрезок
.
Разделим его пополам. Если в середине
отрезка
функция
равна нулю, то все доказано. Если нет,
то обозначим за
ту
из половин отрезка
,
на концах которой функция
имеет
разные знаки:
.
Разделим отрезок
пополам.
Если в середине отрезка
функция
равна нулю, то все доказано. Если нет,
то обозначим за
ту
из половин отрезка
,
на концах которой функция
имеет
разные знаки:
.
Рассуждая таким образом, мы либо на
каком-то шаге получим точку, в которой
функция обращается в нуль, и все доказано,
либо построим систему вложенных отрезков,
длины которых стремятся к нулю, и для
всех
выполняются
неравенства
.
Следовательно, по теореме Кантора
существует точка
,
принадлежащая всем отрезкам
.
Поэтому
и
.
Тогда, с одной стороны,
с другой стороны, в силу непрерывности функции в точке ,
Следовательно, .
Теорема
6.2.4. Если
функция
непрерывна
на отрезке
,
причем
,
и
--
произвольное число такое, что
,
то на интервале
найдется
по крайней мере одна точка
,
в которой
т. е.
непрерывная на отрезке функция принимает
все промежуточные значения между ее
значениями на концах отрезка
.
Доказательство. Рассмотрим
функцию
,
где
.
Функция
непрерывна
на отрезке
,
и
,
.
Следовательно, по теореме
6.2.3 существует
точка
.
Отсюда,
.
Замечание
6.2.2. Если
функция разрывна, то теорема, вообще
говоря, неверна. Например, можно взять
функцию
.
Числовые значения из промежутка
этой
функцией не принимаются (см. рис.
6.2.2).
Просто на всякии случай
Определение Функция f (x) называется равномерно непрерывной на множестве D ⊂ R , если для ε>0, найдется δ(ε) > 0 , такое что для любых двух, x1, x2 ∈ D , удовлетворяющих условию x x 1 2 − < δ , выполняется неравенство f x f x ( ) ( ) 1 2− < ε
Примером равномерно непрерывной функции является y = x 2
