Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Lektsii_UB.doc
Скачиваний:
35
Добавлен:
07.05.2019
Размер:
2 Мб
Скачать
☆

1.3. Предел функции. Основные теоремы о пределах.

Техника вычисления пределов

Пусть y = f (x) функция, определенная на множестве D.

Определение 11 . Число A называется пределом функции y = f (x) при x → a, если для любого положительного числа ε существует положитель- ное число δ = δ (ε) такое, что для всех x ∈ D, удовлетворяющих неравенству

0 < |x − a| < δ, выполняется неравенство |f (x) − A| < ε.

Предел функции y = f (x) при x → a обозначается

lim f (x) = A.

x→a

9

Для записи определения в символьном виде введем кванторы всеобщно- сти ∀ и существования ∃. Символ ∀ означает "любой", "для всех", символ ∃ "существует".

Используя введенные кванторы, перепишем определение 11 следующим образом

⇔

lim f (x) = A (10)

x→a

∀ε > 0∃δ = δ (ε) > 0 : (∀x ∈ D : 0 < |x − a| < δ ⇒ |f (x) − A| < ε) .

Дадим определение предела функции y = f (x) в частных случаях.

∞ ⇔

lim f (x) = (11)

x→a

∀M > 0∃δ = δ (M ) > 0 : (∀x ∈ D : 0 < |x − a| < δ ⇒ |f (x)| > M ) .

lim

x→∞

f (x) = A ⇔ (12)

∀ε > 0∃R = R (ε) > 0 : (∀x ∈ D : |x| > R ⇒ |f (x) − A| < ε) .

lim

x→∞

f (x) = ∞ ⇔ (13)

∀M > 0∃R = R (M ) > 0 : (∀x ∈ D : |x| > R ⇒ |f (x)| > M ) .

10

⇔

lim f (x) = A (14)

x→0

∀ε > 0∃δ = δ (ε) > 0 : (∀x ∈ D : 0 < |x| < δ ⇒ |f (x) − A| < ε) .

⇔

lim f (x) = 0 (15)

x→a

∀ε > 0∃δ = δ (ε) > 0 : (∀x ∈ D : 0 < |x − a| < δ ⇒ |f (x)| < ε) .

⇔

lim f (x) = 0 (16)

x→0

∀ε > 0∃δ = δ (ε) > 0 : (∀x ∈ D : 0 < |x| < δ ⇒ |f (x)| < ε) .

Пусть функция y = f (x) определена в интервале (a; b).

Определение 12 . Число A называется правосторонним (левосторон- ним) пределом функции y = f (x) при x → a (x → b), если для любого поло- жительного числа ε существует положительное число δ = δ (ε) такое, что для всех x ∈ (a; b), удовлетворяющих условию

0 < x − a < δ (0 < b − x < δ) ,

выполняется неравенство |f (x) − A| < ε.

Для правостороннего (левостороннего) предела функции y = f (x) исполь-

зуются следующие обозначения:

lim

x→a+0

f (x) = A (правосторонний предел);

lim

x→b−0

11

f (x) = A (левосторонний предел).

Правосторонние и левосторонние пределы называются односторонними

пределами.

Основные теоремы о пределах

Теорема 5. Пусть функции f (x) и g (x) определены на множестве D, и пусть существуют пределы этих функций при x → a: lim f (x) = b, lim g (x) = c.

x→a

x→a

f (x)

Тогда существуют пределы при x → a функций f (x) ± g (x), f (x) · g (x),

g (x)

(в последнем случае предполагается, что g (x) = 0 при x ∈ D и c = 0), при этом

выполняются равенства:

a) lim (f (x) ± g (x)) = lim f (x) ± lim g (x) = b ± c;

x→a

x→a

x→a

b) lim f (x) · g (x) = lim f (x) · lim g (x) = b · c;

x→a

c) lim

f (x)

x→a

lim f (x) b

= x→a = .

x→a

x→a g (x)

lim g (x) c

x→a

d) lim c = c, где c = const.

x→a

Теорема 6. Пусть функции f (x), g (x) и h (x) определены на множестве

D. Тогда

a) если f (x) ≤ g (x) при x ∈ D и существуют пределы lim f (x), lim g (x),

то

lim f (x) ≤ lim g (x) ;

x→a

x→a

x→a

x→a

x a

b) если f (x) ≤ g (x) ≤ h (x) при x ∈ D и существуют пределы lim f (x),

→

lim h (x), причем lim f (x) = lim h (x) = b, то существует предел lim g (x) и

x→a

x→a

x→a

lim f (x) = lim g (x) = lim h (x) = b.

x→a

x→a

x→a

x→a

Теорема 7. Функция f (x), определенная на множестве D, имеет предел

∈

lim f (x) = A (a D) тогда и только тогда, когда существуют правосторонний и

x→a

левосторонний пределы lim

x→a+0

f (x), lim

x→a−0

f (x) и эти пределы равны A.

Теорема 8. Функция y = f (x), имеющая предел при x → a, ограничена в

некоторой окрестности точки a.

Теорема 9. Пусть существует предел функции f (x) при x → a

lim f (x) = A

x→a

и функция f (x) ограничена в некоторой окрестности точки a

M < f (x) < N.

Тогда

12

M ≤ A ≤ N.

−

Теорема 10. Положительная функция имеет неотрицательный предел.

Техника вычисления пределов

x2 − x

П р и м е р 5. Вычислить lim

x→3

.

x + 2

Решение.

lim

x→3

x2 x

=

x + 2

−

32 3 6

= .

3 + 2 5

−

П р и м е р 6. Вычислить lim

x→1

x2 x

.

x + 2

Решение.

−

lim

x→1

x2 x

=

x + 2

12 − 1

1 + 2

0

= = 0.

3

П р и м е р 7. Вычислить lim

x→−2

x2 x

−

.

x + 2

Решение.

lim

x→−2

−

x2 x

=

x + 2

2

(−2) − (−2)

−

−2 + 2

6

= 0 = ∞.

П р и м е р 8. Вычислить lim

x→∞

x2 √x + 2

.

2 − 4x2

Решение.

lim

x→∞

x2 − √x + 2

2 − 4x2

= ∞ =

∞

x2

x 2

1 − 1 + 2

= lim

x2 − x2 + x2 = lim

x 2 x =

x→∞ 2

4x2

3 2

x→∞ 2 4

x2 − x2

1 − 0 + 0 1

x2 −

−

= = .

0 − 4 4

−

П р и м е р 9. Вычислить lim

x→3

x3 27

.

x2 − 9

Решение.

−

x3 27 lim

0

= =

x→3

x2 − 9

0

= lim

x→3

(x − 3) x2 + 3x + 9

·

(x − 3) (x + 3)

= lim

x→3

x2 + 3x + 9

=

x + 3

= lim

x→3

32 + 3 3 + 9 27 9

= = .

3 + 3 6 2

13

1.4. Замечательные пределы. Бесконечно малые и бесконечно большие величины, эквивалентные величины. Вычисление пределов с помощью

эквивалентностей

Первый замечательный предел

lim

x→0

sin x

x

= 1. (17)

Доказательство. Пусть x > 0. Рассмотрим треугольник 4OAB, сектор

OAB и треугольник 4OAC.

C

B

0 A

или

На рисунке видно, что

S4OAB ≤ SOAB ≤ S4OAC

≤

1 R2 sin x

2

1 R2x

≤

2

1 R2 tg x, (18)

2

где R радиус окружности, x величина угла ∠AOB.

Так как x > 0, то sin x > 0. Разделив неравенство (18) на

1 R2 sin x, получим

2

x 1

или

1 ≤ sin x ≤ cos x

sin x

cos x ≤

x ≤ 1.

14

Так как lim cos x = lim 1 = 1, то из теоремы 6(b) следует, что

x→0

x→0

lim

x→0

sin x x

= 1.

Если x < 0, то sin x < 0. Тогда

Так как −x > 0, то

sin x

=

x

− sin x =

−x

sin (−x) .

−x

lim

x→0

sin x

x

= lim

x→0

sin (−x)

−x

= 1.

Следствия из первого замечательного предела.

arcsin x

1) lim

x→0

x

tg x

= 1;

2) lim

x→0

= 1;

x

3) lim

x→0

arctg x

x

= 1.

Второй замечательный предел

Второй замечательный предел имеет три формы:

1) при x → ∞

2) при x → 0

lim

x→∞

1 x

1 +

x

= e; (19)

3) при x → x0 α (x) → 0

1

lim (1 + x) x = e; (20)

x→0

lim

α(x)→0

(1 + α (x))α(x) = e. (21)

Следствия из второго замечательного предела.

ln (1 + x)

1) lim

x→0

= 1;

x

2) lim

x→0

3) lim

x→0

loga (1 + x)

−

x ex 1

= 1;

x

ax − 1

1

= ;

ln a

4) lim

x→0

= ln a.

x

15

Бесконечно малые величины

Определение 13 . Функция α (x) называется бесконечно малой величи- ной при x → a, если ее предел равен нулю:

lim α (x) = 0.

x→a

Если

lim f (x) = A,

x→a

то f (x) − A есть бесконечно малая величина, т. е. функцию f (x) можно пред-

ставить в виде

f (x) = A + α (x) ,

где α (x) бесконечно малая величина при x → a.

Свойства бесконечно малых величин:

1. Если α (x) и β (x) бесконечно малые величины при x → a, то α (x)±β (x)

является бесконечно малой величиной при x → a.

2. Если α (x) и β (x) бесконечно малые величины при x → a, то α (x) β (x)

является бесконечно малой величиной при x → a.

3. Произведение бесконечно малой величины при x → a и ограниченной

функции в окрестности точки a есть бесконечно малая величина при x → a.

Определение 14 . Две бесконечно малые величины α (x) и β (x) при

x → a имеют одинаковый порядок, если их отношение имеет конечный предел,

отличный от нуля, т. е.

lim

β (x)

= k = 0.

x→a α (x)

Определение 15 . Порядок бесконечно малой величины β (x) выше по- рядка бесконечно малой величины α (x) при x → a имеют одинаковый порядок,

если

lim

β (x)

= 0.

x→a α (x)

Обозначение: β (x) = o (α (x)) при x → a.

Определение 16 . Бесконечно малая величина β (x) имеет порядок n от- носительно бесконечно малой величины α (x) при x → a имеют одинаковый по-

рядок, если

lim

β (x)

= k = 0.

x→a αn (x)

Обозначение: β (x) = O (α (x)) при x → a.

16

Бесконечно большие величины

Определение 17 . Функция f (x) называется бесконечно большой вели- чиной при x → a, если ее предел равен бесконечности:

∞

lim f (x) = .

x→a

Свойства бесконечно больших величин:

1. Если f (x) и g (x) бесконечно большие величины при x → a, то f (x) +

g (x) является бесконечно большой величиной при x → a.

2. Если f (x) и g (x) бесконечно большие величины при x → a, то f (x) g (x)

является бесконечно большой величиной при x → a.

Эквивалентные функции

Определение 18 . Функции α (x) и β (x) называются эквивалентными

при x → a, если предел отношения этих функций при x → a равен 1:

α (x)

lim

x→a β (x)

= 1.

Обозначение: α (x) ∼ β (x) при x → a.

Таблица эквивалентных бесконечно малых функций при x → 0:

sin α ∼ α, tg α ∼ α, arcsin α ∼ α, arctg α ∼ α,

α2

1 − cos α ∼ 2 ,

eα − 1 ∼ α,

aα − 1 ∼ α ln a,

ln (1 + α) ∼ α, α

loga (1 + α) ∼ ln a ,

(1 + α)n − 1 ∼ nα,

n

√n 1 + α − 1 ∼ α ,

2

√1 + α − 1 ∼ α .

17

Вычисление пределов с помощью эквивалентностей

Иногда при вычислении пределов бывает удобно заменить функцию на эквивалентную ей. Рассмотрим следующие примеры.

sin x2 − x

П р и м е р 10. Вычислить lim

x→1

x2 − 1

.

0

Решение. При x → 1 имеем неопределенность 0 :

lim

x→1

sin x2 − x

x2 − 1

0

= .

0

Так как при x → 1 аргумент синуса x2 − x → 0, то

sin x2 − x ∼ x2 − x.

Тогда, заменив функцию sin x2 − x на эквивалентную ей функцию x2 − x, по- лучим

lim

sin x2 − x

−

= lim

x2 x

=

x→1

x2 − 1

x→1 x2 − 1

= lim x (x − 1)

x

= lim =

x→1 (x − 1) (x + 1)

x→1 x + 1

1 1

= = .

1 + 1 2

П р и м е р 11. Вычислить lim

x→0

√3 1 + x2 − 1

x3 + x2 .

0

Решение. При x → 0 имеем неопределенность 0 :

lim

x→0

√3 1 + x2 − 1

x3 + x2

0

= .

0

Так как при x → 0 функция

√3 1 + x2 − 1 эквивалентна функции

x2

, то

lim

√3 1 + x2 − 1

= lim

3

x 2

3 =

x→0

x3 + x2

x→0 x3 + x2

x2

= lim

1

= lim =

x→0 3x2 (x + 1)

x→0 3 (x + 1)

1 1

= = .

3 (0 + 1) 3

П р и м е р 12. Вычислить lim

x→0

18

ln 1 − 5 sin2 x

x2 .

Решение. При x → 0 имеем неопределенность

0

:

0

lim

x→0

ln 1 + −5 sin2 x

x2

0

= .

0

Так как при x → 0 функция −5 sin2 x → 0, то

ln 1 + −5 sin2 x ∼ −5 sin2 x

и

lim

x→0

ln 1 + −5 sin2 x

x2

= lim

x→0

−5 sin2 x

x2 =

2

= lim −5x

= lim (−5) = −5.

x→0 x2

x→0

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]