Критерий дифференцируемости функции

Определение

Если функция [latex]y=f(x)[/latex] определена в некоторой [latex]\delta[/latex]-окрестности точки [latex]x_{0}[/latex], а приращение [latex]\Delta y[/latex] функции [latex]y=f(x)[/latex] в точке [latex]x_{0}[/latex] представимо в виде:
$$\Delta y = A\Delta x + \Delta x \varepsilon (\Delta x),$$ где [latex]A=A(x_{0})[/latex] не зависит от [latex]\Delta x[/latex], а [latex]\varepsilon(x) \rightarrow 0[/latex] при [latex]\Delta x \rightarrow 0[/latex], то функция [latex]f[/latex] называется дифференцируемой в точке [latex]x_{0}[/latex], а произведение [latex]A\Delta x[/latex] называется её дифференциалом в точке [latex]x_{0}[/latex] и обозначается [latex]df(x_{0})[/latex] или $dy.$

Таким образом, [latex]\Delta y=dy+o(\Delta x)[/latex], при [latex]\Delta x \rightarrow 0[/latex], где [latex]dy=A\Delta x[/latex].

Теорема (Критерий дифференцируемости функции)

Для того, чтобы функция [latex]f[/latex] была дифференцируема в точке [latex]x_{0}[/latex] необходимо и достаточно, чтобы она имела производную в точке [latex]x_{0}[/latex]. При этом дифференциал функции и её производная связаны следующим равенством:
[latex]dy={f}’ (x^{0})\Delta x[/latex].

Доказательство

Необходимость
Если функция [latex]f(x)[/latex]−дифференцируема в точке [latex] x_{0} [/latex], то [latex]\exists A: \Delta f(x))=A+\Delta x\alpha (\Delta x)[/latex], где: [latex]\lim_{\Delta x\rightarrow 0}\alpha (\Delta x)=0[/latex].
Отсюда получаем, что [latex]\lim_{\Delta x\rightarrow 0}\frac{\Delta f(x)}{\Delta x}=\lim_{\Delta x\rightarrow 0}\frac{A}{\Delta x}+\frac{\Delta x\alpha (\Delta x)}{\Delta x}=[/latex][latex]=\lim_{\Delta x\rightarrow 0}A+\alpha (\Delta x)=A[/latex]. Отсюда [latex]\exists f{}'(x_{0})=A[/latex], откуда следут, что [latex]dy=f{}'(x_{0})\Delta x[/latex].

Достаточность
Если существует [latex] f{}'(x_{0})=\lim_{\Delta x\rightarrow 0}\frac{\Delta f(x)}{\Delta x} [/latex], то [latex] \frac{\Delta f(x)}{\Delta x}- f{}'(x_{0}) = \alpha (\Delta x) [/latex], где [latex] \lim_{\Delta x\rightarrow 0}\alpha (\Delta x)=0 [/latex]. Отсюда следует, что [latex] \Delta f(x)=f{}'(x_{0})\Delta x+\alpha (\Delta x)\Delta x [/latex]. Полученное равенство означает, что функция [latex] f(x) [/latex] — дифференцируема в точке [latex] x_{0} [/latex].  [latex]\square [/latex].

Замечание

Приращение [latex] \Delta x [/latex] часто обозначают символом [latex] dx [/latex] и называют дифференциалом независимого переменного. По-этому формулу [latex] dy={f}’ (x^{0})\Delta x [/latex] записывают в виде [latex] dy={f}’ (x^{0})dx [/latex].

Тест

Тест:

Тест на проверку усвоения связи между производной и дифференциалом.

Критерий дифференцируемости функции

Тест на знание критерия дифференцируемости функции.

Таблица лучших: Критерий дифференцируемости функции

максимум из 20 баллов
Место Имя Записано Баллы Результат
Таблица загружается
Нет данных

Критерий компактности в n-мерном пространстве (Теорема Гейне – Бореля)

Теорема Гейне – Бореля. Чтобы множество [latex]K \subset \mathbb{R}^n[/latex] являлось компактным, необходимо и достаточно, чтобы [latex]K[/latex] было ограниченным и замкнутым.

Доказательство. Достаточность. Пусть [latex]K[/latex] замкнуто и ограничено. Тогда найдется сегмент [latex]I \subset \mathbb{R}^n[/latex], содержащий [latex]K[/latex]. В силу леммы Гейне – Бореля, этот сегмент [latex]I[/latex] компактен. Поэтому, в силу свойств компактных множеств, компактно также его замкнутое подмножество [latex]K[/latex]. Необходимость. Пусть [latex]K[/latex] —  компакт. Докажем, что данное множество ограничено. Обозначим через [latex]B_s[/latex] открытый шар с центром в точке [latex]0[/latex] радиуса [latex]s[/latex]. Тогда последовательность шаров[latex]\left\{B_s\right\}^{\infty}_{s=1}[/latex] покрывает все пространство [latex]\mathbb{R}^n[/latex], а следовательно, и множество [latex]K[/latex]. Так как [latex]K[/latex] компактно, следовательно, оно может быть покрыто конечным набором шаров [latex]B_s[/latex]. Среди всех этих шаров выберем шар с наибольшим радиусом. Пусть это шар [latex]B^{\ast}[/latex]. Тогда ясно, что [latex]K \subset B^{\ast}[/latex], так что [latex]K[/latex] ограничено. Покажем теперь, замкнутость множества [latex]K[/latex]. Для этого достаточно показать, что любая точка [latex]y \notin K[/latex], не будет предельной для [latex]K[/latex]. Итак, пусть [latex]y \notin K[/latex]. Рассмотрим множества [latex]G_k = c\overline{B}(y, \frac{1}{k}) (k = 1,2,…)[/latex]. Так как замкнутый шар [latex]\overline{B}(y, \frac{1}{k})[/latex] – множество замкнутое, следовательно его дополнение [latex]G_k[/latex] открыто. Кроме того, ясно, что[latex] \bigcup^{\infty}_{k=1}G_k = \mathbb{R}^n \setminus \left\{y\right\}[/latex]. Поскольку [latex]y \notin K[/latex], то совокупность множеств [latex]G_k (k = 1,2,…)[/latex] образует открытое покрытие множества [latex]K[/latex]. Пользуясь компактностью [latex]K[/latex], выберем из этого покрытия конечное подпокрытие [latex]\left\{G_{k_1},…,G_{k_s}\right\}[/latex] и положим [latex]\rho = \frac{1}{max\left\{k_1,…,k_s\right\}} > 0[/latex]. Отсюда следует, что шар [latex]B(y,\rho)[/latex] не имеет общих точек с множеством [latex]K[/latex]. Получаем, что точка [latex]y[/latex] не будет предельной для [latex]K[/latex]. [latex]\square[/latex]

Литература: