5.1 Дифференцируемость и производная

$\DeclareMathOperator{\tg}{tg} \DeclareMathOperator{\sign}{sign} \DeclareMathOperator{\sgn}{sgn}$ Определение 1. Пусть функция $f$ определена на интервале $(a, b)$ и точка $x_0 ∈ (a, b).$ Если существует конечный предел $\displaystyle  \lim_{x\to x_0} \frac{f(x)-f(x_0)}{x-x_0}$, то он называется производной функции $f$ в точке $x_0$ и обозначается $f^\prime(x_0)$, или $\displaystyle \frac{df}{dx}(x_0),$ $Df(x_0).$

Определение 2. Пусть функция $f$ определена на интервале $(a, b)$ и точка $x_0 ∈ (a, b).$ Функцию $f$ будем называть дифференцируемой в точке $x_0,$ если существует такая постоянная $A$ (зависящая от $x_0$ и не зависящая от $x$), что справедливо равенство: $$f(x) − f (x_0) = A (x − x_0) + r(x), $$где $r(x) = \overline{o} (x − x_0) \: \: \: (x \to x_0).$

Короче определение дифференцируемости можно записать в следующем виде: $$f(x) − f (x_0) = A (x − x_0) + \overline{o} (x − x_0) \: \: \: (x \to x_0).$$
Покажем, что эти два определения эквивалентны в том смысле, что дифференцируемость функции равносильна существованию производной.

Теорема. Функция $f$ дифференцируема в точке $x_0 ∈ (a, b)$ тогда и только тогда, когда у $f$ существует производная в точке $x_0.$

Пусть $f$ дифференцируема в точке $x_0.$ Это означает, что $f(x) − f (x_0) = A (x − x_0) + \overline{o} (x − x_0),$ где $A$ не зависит от $x$. Отсюда получаем:
$$\displaystyle \frac{f(x)-f(x_0)}{x-x_0} = A+\frac{\overline{o} (x − x_0)}{x-x_0}.$$
Тогда, учитывая определение символа $\overline{o}$, имеем
$$\displaystyle \lim_{x\to x_0} \frac{f(x)-f(x_0)}{x-x_0}=A+\lim_{x\to x_0} \frac{\overline{o} (x − x_0)}{(x − x_0)} =A$$ т. е. существует $f^\prime(x_0) = A.$
Обратно, если существует $$\displaystyle \lim_{x\to x_0} \frac{f(x)-f(x_0)}{x-x_0} = f^\prime(x_0),$$ то $$ \displaystyle \frac{f(x)-f(x_0)}{x-x_0} + f^\prime(x_0) = r_1(x),$$ где $r_1(x) \to 0 (x \to x_0)$. Отсюда следует, что $$ f(x) — f(x_0) = f^\prime(x_0)(x-x_0)+r_1(x)(x-x_0).$$ Обозначим $r(x)=r_1(x)(x-x_0).$ Тогда $r(x)=\overline{o}(x-x_0),$ т. е. $$ f(x) − f (x_0) = f^\prime(x_0)(x-x_0)+\overline{o}(x-x_0) \: \: \: (x\to x_0), $$ а это и означает, что $f$ дифференцируема в точке $x_0$, причем $A= f^\prime(x_0).$

Итак, условие дифференцируемости равносильно наличию производной. Смысл дифференцируемости состоит в том, что в некоторой окрестности точки $x_0$ функция $f$ представима в виде линейной функции $l(x)= f (x_0)+f (x_0) f^\prime(x-x_0)$ приближенно с точностью до величины бесконечно малой более высокого порядка, чем $(x-x_0) $ при $x\to x_0.$

Связь между дифференцируемостью и непрерывностью устанавливает следующая

Теорема. Если функция $f$ дифференцируема в точке $x_0$, то она непрерывна в этой точке.

Дифференцируемость $f$ означает, что
$$ f(x) − f (x_0) = A(x_0)(x-x_0)+\overline{o}(x-x_0) \: \: \: (x\to x_0). $$
Отсюда следует, что $\displaystyle \lim_{x\to x_0} (f(x)-f(x_0)) = 0$, т. е. $\displaystyle \lim_{x\to x_0} f(x)=f(x_0)$, и тем самым теорема доказана.

Обратное утверждение неверно. Именно из непрерывности функции $f$ не следует ее дифференцируемость. Примером может служить функция $f(x)=|x|,$ непрерывная в точке $x_0 = 0$, для которой выражение $$\displaystyle \frac{f(x)-f(x_0)}{x-x_0} = \frac{|x|}{x} = \sign x $$ не имеет предела $x\to 0$ и, следовательно, функция $f$ не имеет производной в точке $x_0 = 0$. Значит, $ f$ не является дифференцируемой в нуле.

Итак, непрерывность – это необходимое, но не достаточное условие дифференцируемости. Другими словами, если функция разрывна в точке $x_0$, то она недифференцируема в этой точке. Обратное неверно.

С геометрической точки зрения производная $f^\prime(x_0)$ представляет собой тангенс угла наклона касательной к графику функции $y = f(x)$ в точке $M_0(x_0, f (x_0))$. При этом касательной к графику функции $f$ в точке $M_0$ называется предельное положение секущей $M_0M$ при стремлении точки $M (x, f(x))$ вдоль кривой $y = f(x)$ к точке $M_0$. В самом деле, если функция  $f$ дифференцируема в точке $x_0$, то при стремлении $M$ к $M_0$ вдоль кривой $y = f(x)$ секущая $M_0M$ имеет тангенс угла наклона, равный $$ \displaystyle \tg\alpha(x) = \frac{f(x)-f(x_0)}{x-x_0}, $$ и при $ x \rightarrow x_0 $ точка $M$ стремится к $M_0$ вдоль кривой $y = f(x)$. Так как $$\displaystyle  \frac{f(x)-f(x_0)}{x-x_0} \to f^\prime(x_0)  \: \: \: (x\to x_0), $$ то $\tg\alpha(x) \to f^\prime(x_0) $ при $x\to x_0$, т. е. секущая стремится занять некоторое предельное положение, тангенс угла наклона $\alpha_0$ которого равен $f^\prime(x_0)$.Отсюда получаем уравнение касательной к графику дифференцируемой в точке $x_0$ функции $y = f(x):$ $$k(x)=f(x_0)+f^\prime(x_0) (x-x_0).$$

Примеры решения задач

  1. Найти производную $f(x) = \sin x $ в точке $x_0 = 0.$
    Решение

    Пример можно легко решить, пользуясь определением производной, а так же первым замечательным пределом:
    $ \displaystyle \lim_{x\to x_0} \frac{f(x)-f(x_0)}{x-x_0}= \lim_{x\to 0} \frac{\sin x — \sin 0}{x-0}=\lim_{x\to 0} \frac{\sin x }{x}=1.$

  2. Пусть $f(x) = x^{2}$ Тогда производная $f^\prime(x_0)$ равна?
    Решение

    $\displaystyle f^\prime(x_0) = \lim_{x\to x_0} \frac{x^2-x^2_0}{x-x_0} = \lim_{x\to x_0} \frac{(x-x_0)(x+x_0)}{x-x_0}=$
    $\displaystyle = \lim_{x\to x_0} (x+x_0) = 2x_0$

  3. Пусть $f(x) = \left|x \right |$ и если $x_0 \neq 0$ существует ли $f^\prime(x_0)$?
    Решение

    $f^\prime(x_0) = \sgn x_0$, где $\sgn$ обозначает функцию знака. А если $x_0 = 0$ $f^\prime_+(x_0)=1,$ $f^\prime_-(x_0)=-1,$ а следовательно $f^\prime(x_0)$ не существует.

  4. Найдите уравнение касательной к графику функции $y=e^{2x-3}$ в точке $x_0 = 5,$ а также угол наклона касательной в этой точке.
    Решение

    Известно, что уравнение касательной в точке имеет вид $l={f}\left(x_{0}\right)+{f}’\left(x_{0}\right)\left(x-x_{0}\right),$ причём ${f}’\left(x_{0}\right)=\mathrm{tg}\alpha,$ где $\alpha$ — угол наклона касательной.
    Находим значение касательной в точке 5, получаем ${f}^\prime\left(x\right)=2e^{2x-3},$ а в точке $x_{0}=5: \, {f}^\prime\left(5\right)=2e^{7} \Rightarrow$ $l = e^{7}+2e^{7}\left(x-5\right) =$
    $ -9e^{7}+2e^{7}x$, $\alpha = \mathrm{arctg}\left(2e^{7}\right).$

  5. Найдите по определению $\sin x.$ на множестве $\mathbb{R}$
    Решение

    Воспользуемся определением производной $(\sin x)^\prime:$
    $
    (\sin x)^\prime = \displaystyle \lim_{\Delta x\to 0} \frac{\sin(x+\Delta x)-\sin x}{\Delta x} = \\
    = \displaystyle \frac{2\sin \frac{\Delta x}{2}\cdot \cos(x+\frac{\Delta x}{2})}{\Delta x} = \\
    = \displaystyle \frac{\sin \frac{\Delta x}{2}}{\frac{\Delta x}{2}} \cdot \cos(x+\frac{\Delta x}{2})
    $
    Теперь сделаем подстановку $ \displaystyle \frac{\Delta x}{2} = t$ . При $\Delta x \to 0, $ $t \to 0.$ Применим первый замечательный предел:
    $ \displaystyle \lim_{\Delta x\to 0} \frac { \sin \frac{\Delta x}2}{\frac{\Delta x}2} = \lim_{t\to 0} \frac{\sin t}{t} = 1.$
    Сделаем такую же подстановку $\displaystyle \frac{\Delta x}{2} = t$ и используем свойство непрерывности:
    $\displaystyle \lim_{\Delta x\to 0} \left ( \cos x + \frac{\Delta x}{2} \right) = \lim_{t\to 0} \cos (x+t)= \cos x.$

Смотрите также

  1. Тер-Крикоров А. М., Шабунин М.И. Курс математического анализа: Учеб. пособие для вузов. – 3-е изд., исправл. / А. М. Тер-Крикоров, М.И. Шабунин. – Москва: ФИЗМАТЛИТ, 2001. – 672 с. — с. 123-133.
  2. Фихтенгольц Г. М. Курс дифференциального и интегрального исчисления: учеб. пособие для ун-тов и пед. ин-тов. Т. 1 / Г. М. Фихтенгольц. — 5-е изд., стереотип. — Москва: Физматгиз, 1962. — 607 с. — с. 186-214.
  3. Кудрявцев Л. Д. Курс математического анализа : учебник для вузов: В 3 т. Т. 1. Дифференциальное и интегральное исчисления функций одной переменной / Л. Д. Кудрявцев. — 5-е изд., перераб. и доп. — Москва: Дрофа, 2003. — 703 с. — с.271-280.

Дифференцируемость и производная

Пройдите этот тест, чтобы проверить свои знания по только что прочитанной теме «Дифференцируемость и производная».

4.5 Непрерывность и разрывы монотонной функции

Определение. Функция $f$, определенная на интервале $\left(a, b\right)$, называется непрерывной на этом интервале, если она непрерывна в каждой точке этого интервала. Функция $f$ называется непрерывной на отрезке $\left[a, b\right]$, если она непрерывна на $\left(a, b\right)$, а в точках $a$ и $b$ непрерывна справа и слева, соответственно.

В этом параграфе мы исследуем характер возможных разрывов у монотонной функции. Именно следующая теорема показывает, что у монотонной функции не может быть разрывов $II$ рода, а во внутренних точках
не может быть устранимых разрывов. Напротив, в концевых точках если и есть разрыв, то он устранимый.

Теорема $1$. Пусть функция $f$ монотонна на $\left[a, b\right]$. Тогда

  1. Если $x_0\in\left(a, b\right)$, то имеет место одна и только одна из следующих двух ситуаций:
    1. $f$ непрерывна в точке $x_0$;
    2. в точке $x_0$ функция $f$ имеет неустранимый разрыв $I$ рода.
  2. Если $x_0=a \left(x_0=b\right)$, то
    1. либо $f$ непрерывна справа (слева) в точке $x_0$;
    2. либо $f$ имеет в точке $x_0$ устранимый разрыв.

Рассмотрим случай, когда $f$ возрастает на $\left[a, b\right]$. Пусть $x_0\in\left(a, b\right)$. Тогда из неравенства $f\left(x\right)\leqslant f\left(x_0\right)\left(x<x_0\right)$ и монотонности $f$ следует, что существует $f\left(x_0-0\right)\leqslant f\left(x_0\right)$. Аналогично, из неравенства $f\left(x\right)\geqslant f\left(x_0\right)\left(x>x_0\right)$ и монотонности $f$ следует, что существует $f\left(x_0+0\right)\geqslant f\left(x_0\right)$. Итак,
$$f\left(x_0-0\right)\leqslant f\left(x_0\right)\leqslant f\left(x_0+0\right)\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \left(4.4\right)$$
Если в $\left(4.4\right)$ два знака неравенства, то $f$ непрерывна в точке $x_0$. Если же хотя бы одно из неравенств строгое, то в точке $x_0$ функция $f$ имеет скачок. Из $\left(4.4\right)$ также следует, что в точке $x_0$ устранимый разрыв невозможен.
Пусть теперь $x_0=b$. Тогда $f\left(x\right)\leqslant f\left(b\right)$ и существует $f\left(b-0\right)\leqslant f\left(b\right)$. Если $f\left(b-0\right)=f\left(b\right)$, то $f$ непрерывна слева в точке $b$. Если же $f\left(b-0\right)<f\left(b\right)$, то в точке $b$ у функции $f$ устранимый разрыв (левосторонний). Случай $x_0=a$ рассматривается аналогично.

Теперь изучим вопрос о количестве точек разрыва монотонной функции, заданной на $\left[a, b\right]$. Может оказаться, что точек разрыва у функции $f$ нет $(например, f\left(x\right)=x)$. Легко построить пример монотонной функции, у которой любой наперед заданный конечный набор точек из $\left[a, b\right]$ будет точками разрыва, а все остальные точки будут точками непрерывности. Монотонная функция может иметь и бесконечно много точек разрыва. Например, у невозрастающей функции $$ \displaystyle f\left(x\right)=\left\{\begin{matrix}1-\displaystyle\frac{1}{n}, \frac{1}{n+1}<x\leqslant \frac{1}{n}, n=1,2,…,\\ 1, x=0\end{matrix}\right.$$ каждая точка вида $\displaystyle\frac{1}{n}\left(n=1, 2,\ldots\right)$ является точкой разрыва. В этом примере множество точек разрыва счетное. Если же отказаться от условия монотонности, то можно привести пример функции, у которой множество точек разрыва несчетно (функция Дирихле). Естественно спросить, может ли монотонная функция иметь несчетное множество точек разрыва?

Определение. Множество называется не более чем счетным, если оно пусто, конечно или счетно.

Теорема $2$. Пусть функция $f$ монотонна на $\left(a, b\right)$. Тогда множество ее точек разрыва не более чем счетно.

Пусть функция $f$ не убывает на $\left(a, b\right)$. Согласно предыдущей теореме, если в некоторой точке $x_0\in\left(a, b\right)$ функция $f$ имеет разрыв, то это — скачок, т.е. $f\left(x_0-0\right)<f\left(x_0+0\right)$. Поэтому каждой точке разрыва $x$ можно поставить в соответствие интервал $I_x=\left(f\left(x_0-0\right), f\left(x_0+0\right)\right)$. Пусть $x’$ и $x^{\prime\prime}$ — две различные точки разрыва функции $f$. Покажем, что интервалы $I_{{x}^{\prime}}$ и $I_{{x}^{\prime\prime}}$ не пересекаются. Пусть $x'<x^{\prime\prime}$. Выберем точку $\xi$ такую что $x'<\xi<x^{\prime\prime}$. Тогда, в силу монотонности $f$, $f\left(x’+0\right)\leqslant f\left(\xi\right)$ и $f\left(x^{\prime\prime}-0\right)\geqslant f\left(\xi\right)$, т.е. $f\left(x’+0\right)\leqslant f\left(x^{\prime\prime}-0\right)$. Это означает, что интервалы $\left(f\left(x’-0\right), f\left(x’+0\right)\right)$ и $\left(f\left(x^{\prime\prime}-0\right), f\left(x^{\prime\prime}+0\right)\right)$ не имеют общих точек. Итак, каждой точке разрыва $x$ поставлен в соответствие интервал $I_x$. В каждом таком интервале $I_x$ выберем рациональное число $r_x$. При этом различным точкам разрыва $x’$ и $x^{\prime\prime}$ будут соответствовать различные числа $r_{{x}^{\prime}}$ и $r_{{x}^{\prime\prime}}$, т.к. интервалы $I_{{x}^{\prime}}$ и $I_{{x}^{\prime\prime}}$ не пересекаются.

Пусть $E\subset\left(a, b\right)$ — множество всех точек разрыва функции $f$. Если $E\neq\varnothing$, то каждому $x\in E$ поставлено в соответствие рациональное число $r_x$. Мы получили взаимно однозначное соответствие между элементами множества $E$ и некоторым подмножеством $E_1\subset \mathbb{Q}$ множества $\mathbb{Q}$. Но множество рациональных чисел $\mathbb{Q}$ счетно, поэтому и множество $E_1$ не более чем счетно, а значит не более чем счетно и само множество $E$.

Пусть функция $f$ монотонна на $\left[a, b\right]$. Тогда множество ее значений $E\left(f\right)$ содержится в отрезке $I$ с концами $f\left(a\right)$ и $f\left(b\right)$, т.е. $E\left(f\right)\subset I$. Следующая теорема показывает, что в случае $E\left(f\right)=I$ функция $f$ непрерывна на $\left[a, b\right]$. Другими словами, если в области значений монотонной функции нет пустот (промежутков), то такая функция непрерывна.

Теорема $3$. Пусть функция $f$ монотонна на $\left[a, b\right]$ и область ее значений представляет собой отрезок с концами $f\left(a\right)$ и $f\left(b\right)$. Тогда функция $f$ непрерывна на $\left[a, b\right]$.

Рассмотрим случай неубывающей $f$. Предположим, что $f$ разрывна в некоторой точке $x_0\in\left(a, b\right)$. Тогда, согласно теореме $1$, в точке $x_0$ функция $f$ имеет скачок, а из условия монотонности следует, что $f\left(x_0-0\right)<f\left(x_0+0\right)$. Итак, если $x<x_0$, то $f\left(x\right)\leqslant f\left(x_0-0\right)$, а при $x>x_0$ имеем $f\left(x\right)\geqslant f\left(x_0+0\right)$, т.е. на интервале $\left(f\left(x_0-0\right), f\left(x_0+0\right)\right)$ содержится разве что единственная точка $f\left(x_0\right)$ из области значения функции $E\left(f\right)$, что противоречит условию.

Случаи $x_0=a$ и $x_0=b$ исчерпываются аналогичным образом, и тем самым завершается доказательство теоремы.

Замечание. Теорема $3$ теряет силу, если отбросить условие монотонности функции $f$. Например, множество значений функции $$f\left(x\right)=\left\{\begin{matrix}-x, -1\leqslant x<0,\\x-1, 0\leqslant x\leqslant1, \end{matrix}\right.$$
определённой на отрезке $\left[-1, 1\right]$, представляет собой отрезок $\left[-1, 1\right]$, но в то же время эта функция разрывна в точке $x_0=0$.

Эквивалентная формулировка теоремы $3$ имеет следующий вид.

Если монотонная функция $f$ принимает все промежуточные значения между $f\left(a\right)$ и $f\left(b\right)$, то $f$ непрерывна на отрезке $\left[a, b\right]$.

Примеры решения задач

  1. Найти точки разрыва функции $$f \left(x \right)= \left \{ \begin{matrix}x^2, -1 \leqslant x<0 \\ 2x-1, 0 \leqslant x<1 \end{matrix}\right.$$
    Решение

    $f\left(+0\right)=\lim\limits_{x \to +0} f\left(x\right)=\lim\limits_{x \to +0}\left(2x-1\right)=-1$, $f\left(-0\right)=\lim\limits_{x \to -0} f\left(x\right)=\lim\limits_{x \to +0} x^2=0$. $f\left(+0\right)$ и $f\left(-0\right)$ — конечны, но не равны, поэтому точка $x=0$ — точка разрыва первого рода.

Смотрите также

Непрерывность и разрывы монотонной функции

Пройдите этот тест, чтобы проверить свои знания по только что прочитанной теме «Непрерывность и разрывы монотонной функции».

Теорема Вейерштрасса о равномерных приближениях непрерывных функций многочленами

Тригонометрическим многочленом степени $n$ называют бесконечно дифференцируемую и $2\pi$-периодическую функцию $$T_n(x) = \dfrac{a_0}{2} + \sum \limits_{k=1}^{n} a_k \cos kx + b_k \sin kx,$$ где $a_0, a_1, \ldots, a_n, b_1, \ldots, b_n$ — некоторые вещественные числа, $a_n \cdot b_n \neq 0$. Множество всех тригонометрических многочленов образует линейное пространство.

Теорема 1 (Вейерштрасса)

Любую непрерывную $2\pi$-периодическую функцию можно с любой степенью точности равномерно приблизить тригонометрическим многочленом, то есть для любого $\varepsilon > 0$ найдётся такой тригонометрический многочлен $T_n(x)$, что $$\max \limits_{-\infty < x < +\infty} \left| f(x) — T_n(x) \right| < \varepsilon.$$

Доказательство

Так, как сумма Фейера $\sigma_n(x)$ — это среднее арифметическое частичных сумм ряда Фурье функции $f(x)$, которые являются тригонометрическими многочленами, то она также будет тригонометрическим многочленом. В силу теоремы Фейера, для любого $\varepsilon > 0$ найдётся сумма Фейера $\sigma_n(x)$ такая, что $$\max \limits_{x \in \mathbb{R}} \left| f(x) — \sigma_n (x) \right| < \varepsilon.$$

Замечание

Непрерывную функция $f(x)$ на отрезке $[-\pi, \pi]$ можно равномерно приблизить на этом отрезке тригонометрическим многочленом в том и только том случае, когда $f(\pi) = f(-\pi)$.

Теорема 2 (Вейерштрасса)

Непрерывную на отрезке $[a, b]$ функцию $f(x)$ можно равномерно приблизить с любой степенью точности многочленом, то есть для любого $\varepsilon > 0$ найдётся многочлен $P_n(x) = a_0 + a_1 x + \ldots + a_n x^n$ такой, что $$\max \limits_{a \le x \le b} \left| f(x) — P_n(x) \right| < \varepsilon.$$

Доказательство.

Пусть $[a, b] = [0, \pi]$ и чётным образом продолжим функцию $f(x)$ на отрезок $[-\pi, 0]$, а затем на всю вещественную ось с периодом $2 \pi$. Получим чётную, $2 \pi$-периодическую непрерывную функцию, совпадающую с $f(x)$ на отрезке $[0, \pi]$ (рис.1).

Weierstrass-theorem

В силу теоремы Фейера для любого $\varepsilon > 0$ найдётся тригонометрический многочлен $T_m(x)$ такой, что $$\max \limits_{-\infty < x < +\infty} \left| f(x) — T_m(x) \right| < \dfrac{\varepsilon}{2}. (1)$$

Каждая из функций $\sin kx$ и $\cos kx$ является аналитической и поэтому раскладывается в степенной ряд, сходящийся на всей числовой прямой. Так как $T_m(x)$ — это конечная линейная комбинация функций $\sin kx$ и $\cos kx$, то $T_m(x)$ также раскладывается в степенной ряд, сходящийся для всех вещественных $x$, $$T_m(x) = c_0 + c_1 x + \ldots + c_n x^n + \ldots.$$

Известно, что на любом отрезке $[\alpha, \beta]$, лежащем внутри интервала сходимости, степенной ряд сходится равномерно. Следовательно, $\forall \varepsilon > 0$ существует такое $k$, что $$\max \limits_{0 \le x \le \pi} \left| T_m(x) — (c_0 + c_1 x + \ldots + c_k x^k) \right| < \dfrac{\varepsilon}{2}. (2)$$

Если положить $P_k (x) = c_0 + c_1 x + \ldots + c_k x^k$, то в силу (1) и (2) получаем $$\left| f(x) — P_k(x) \right| \le \left| f(x) — T_m(x) \right| + \left| T_m(x) — P_k(x) \right| \le$$ $$\le \max \limits_{-\infty < x < +\infty} \left| f(x) — T_m(x) \right| + \max_{0 \le x \le \pi} \left| T_m(x) — P_k(x) \right| < \dfrac{\varepsilon}{2} + \dfrac{\varepsilon}{2} = \varepsilon.$$

Следовательно, $$\max \limits_{0 \le x \le \pi} \left| f(x) — P_k(x) \right| < \varepsilon.$$

Пусть теперь функция $f(x)$ непрерывна на произвольном отрезке $[a, b]$. Положим $F(t) = f(a + \dfrac{t}{\pi} (b — a))$, $0 \le t \le \pi$.

Тогда функция $F(t)$ непрерывна на $[0, \pi]$ и её можно равномерно приблизить на $[0, \pi]$ многочленом $Q_k(t)$, т.е. $$\max \limits_{0 \le t \le \pi} \left| f(a + \dfrac{t}{\pi} (b — a)) — Q_k(t) \right| < \varepsilon. (3)$$

Полагая $x = a + \dfrac{t}{\pi} (b-a), P_k(x) = Q_k (\pi \dfrac{x — a}{b — a})$,
получаем из неравенства (3), что $$\max \limits_{a \le x \le b} \left| f(x) — P_k(x) \right| < \varepsilon.$$

Литература

Теорема Вейерштрасса о равномерных приближениях непрерывных функций многочленами

Тест по теме «Теорема Вейерштрасса о равномерных приближениях непрерывных функций многочленами».

Собственные интегралы, зависящие от параметра, и их свойства

Пусть заданы два некоторых множества $X \subset R$ и $Y \subset R$, где $Y$ — множество параметров, а $X$ представляет из себя некоторый отрезок $[a, b]$ — множество переменных. Тогда определим множество
$$K=\left\{ { (x,y) }|{ \begin{matrix} x\in X \\ y\in Y \end{matrix} } \right\} (K\subset { R }^{ 2 }).$$

На заданном множестве $K$ зададим некоторую функцию $f(x,y)$ и предположим, что, для каждого фиксированного $y \in Y$, она интегрируема по Риману на промежутке $[a,b]$ (в данной работе мы рассматриваем только собственные интегралы). Тогда заданную функцию
$$J(y)= \intop_{a}^{b} f(x,y)dx$$
назовем интегралом, зависящим от параметра $y$.

Так как нами введена новая функция, логично рассмотреть некоторые ее свойства.

Свойство непрерывности собственного интеграла, зависящего от параметра

Теорема (о непрерывной зависимости интеграла от параметра). Пусть на некотором множестве определена функция $f(x,y)$ и собственный интеграл, зависящий от параметра
$$J(y)= \intop_{a}^{b} f(x,y)dx$$
и $f$ непрерывна в прямоугольнике
$$K=\left\{ { (x,y) }|{ \begin{matrix} a\le x\le b \\ c\le y\le d \end{matrix} } \right\}.$$
Тогда функция $J(y)$ непрерывна на отрезке $[c, d]$.

Доказательство показать

Как важное практическое применение данной теоремы, например, можем определить возможность переходить к пределу под знаком интеграла, при выполнении других необходимых для этого условий, а именно:
$$\lim _{ y\rightarrow { y }_{ 0 } }{ \intop _{ a }^{ b }{ f(x,y)dx=\intop _{ a }^{ b }{ \lim _{ y\rightarrow { y }_{ 0 } } f(x,y)dx=\intop _{ a }^{ b }{ f(x,{ y }_{ 0 })dx\quad \forall } { y }_{ 0 }\in [c,d] } } }.$$

Свойство дифференцируемости собственного интеграла, зависящего от параметра

Теорема (о дифференцируемости интеграла от параметра). Пусть функция $f(x,y)$ вместе со своей частной производной $\frac { \partial }{ \partial y } f\left( x,y \right)$ непрерывна в прямоугольнике
$$K=\left\{ { (x,y) }|{ \begin{matrix} a\le x\le b \\ c\le y\le d \end{matrix} } \right\}.$$
Тогда собственный интеграл, зависящий от параметра
$$J(y)= \intop_{a}^{b} f(x,y)dx$$
является непрерывно дифференцируемой функцией на отрезке $[c,d],$ причем справедливо следующее равенство:
$${ J }^{ \prime } \left( y \right) =\frac { d }{ dy } \intop_{ a }^{ b }{ f\left( x,y \right) dx } =\intop_{ a }^{ b }{ \frac { \partial }{ \partial y } f\left( x,y \right) dx } ,\quad \forall y\in \left[ c,d \right].$$

Заметим, что указанное выше равенство называется правилом Лейбница: «Производная интеграла, зависящего от параметра, равна интегралу от производной подынтегральной функции по заданному параметру».

Доказательство показать

Обобщив указанную ранее теорему, можем получить формулу Лейбница для случая, когда пределы интегрирования являются некоторыми функциями, зависящими от параметра $y$.

Формула Лейбница дифференцирования под знаком интеграла, зависящего от параметра, пределы интегрирования которого зависят от переменной дифференцирования

Пусть пределы интегрирования собственного интеграла зависящего от параметра $y$ – некоторые непрерывно дифференцируемые на отрезке $[c, d]$ функции, зависящие от данного параметра: $a(y),b(y)$. Тогда пусть задана функция $f(x,y)$ вместе со своей частной производной $\frac { \partial }{ \partial y } f\left( x,y \right)$ непрерывны в области
$$K=\left\{ { (x,y) }|{ \begin{matrix} a\left( y \right) \le x\le b\left( y \right) \\ c\le y\le d \end{matrix} } \right\}.$$
Тогда
$$J(y)= \intop_{a(y)}^{b(y)} f(x,y)dx$$
дифференцируема на $[c,d]$, причем
$${ J }^{ \prime }\left( y \right) =\intop _{ a\left( y \right) }^{ b\left( y \right) }{ \frac { \partial }{ \partial y } f\left( x,y \right)dx -f\left( a\left( y \right) ,y \right) \cdot { a }^{ \prime }\left( y \right) +f\left( b\left( y \right) ,y \right) \cdot { b }^{ \prime }\left( y \right) }.$$

Доказательство показать

Свойство интегрируемости собственного интеграла, зависящего от параметра

Теорема (о интегрируемости интеграла от параметра). Пусть задана $f(x,y)$ непрерывная на некотором прямоугольнике
$$K=\left\{ { (x,y) }|{ \begin{matrix} a\le x\le b \\ c\le y\le d \end{matrix} } \right\}.$$
Тогда функция (собственный интеграл, зависящий от параметра)
$$J(y)= \intop_{a}^{b} f(x,y)dx$$
интегрируема на отрезке $[c, d]$, причем
$$\intop _{ c }^{ d }{ { J }\left( y \right) dy } =\intop _{ c }^{ d }{ \left( \intop _{ a }^{ b }{ f\left( x,y \right) dx } \right) dy } =\intop _{ a }^{ b }{ \left( \intop _{ c }^{ d }{ f\left( x,y \right) dy } \right) dx }.$$

Доказательство показать

Данное свойство дает нам возможность интегрировать исходную функцию $J(y)$ по параметру $y$ под знаком интеграла.

Примеры и практическая значимость

Следует заметить, что введенный нами математический объект имеет достаточно интересное применение не только в плане непосредственного вычисления. Например, собственные интегралы, зависящие от параметра $x$, такого вида
$${ J }_{ n }\left( x \right) =\frac { 1 }{ \pi } \intop _{ 0 }^{ \pi }{ \cos { \left( x\cdot \sin { \varphi } -n\cdot \varphi \right) } d\varphi } ,$$ $${ J }_{ n }\left( x \right) =\frac { 1 }{ 2\pi } \intop _{ -\pi }^{ \pi }{ { e }^{ i\left( n\cdot \varphi -x\cdot \sin { \varphi } \right) }d\varphi } ,$$
где $n$ – некоторое целое число, являются интегральным представлением функций Бесселя первого рода. Интегральный подход использовал сам Бессель для изучения некоторых интересных свойств этих функций.

Такие функции имеют разнообразное применение не только в математических дисциплинах. Например, они применяются в решении задач о статических потенциалах, распространении волн, формы колебания тонкой круглой мембраны, обработке сигналов и т.д.


Bessel functions

Графическое представление функций Бесселя первого рода $0$, $1$ и $2$ порядков

Для более глубокого понимания темы, к рассмотрению предлагается практическое задание.

Пример показать

Примечание

*На данном этапе существуют разногласия по поводу применения формулы конечных приращений Лагранжа для доказательства данной теоремы, основанные на том, что вообще говоря $\theta_{x}$ представляет из себя некоторую функцию зависящую от переменной $x$, что вызывает вопрос не нарушает ли она непрерывность, а следовательно, и интегрируемость подынтегрального выражения. Несмотря на это в большинстве рассмотренных источников указано именно такое доказательство, аргументированное тем, что $\theta_{x} \in (0, 1)$ не меняет условия принадлежности рассматриваемой точки исходному отрезку. Если же читатель не согласен с таким применением теоремы Лагранжа о среднем значении, то доказать свойство дифференцируемости собственного интеграла, зависящего от параметра, можно аналогично доказательству свойства непрерывности, которое было приведено ранее.

Тест: собственные интегралы, зависящие от параметра

Для закрепления материала темы, рекомендуется пройти следующий тест.


Таблица лучших: Тест: собственные интегралы, зависящие от параметра

максимум из 19 баллов
Место Имя Записано Баллы Результат
Таблица загружается
Нет данных

Связь дифференцируемости функции в точке с непрерывностью в точке

Если у Вас возникли трудности с понятием дифференцируемости или непрерывности функции в точке в одномерном случае, то перейдите по ссылкам.

Как и в случае действительных функций одного действительного переменного, есть еще одно необходимое условие дифференцируемости функции нескольких переменных, связанное с ее непрерывностью.

Теорема. Если действительная функция нескольких действительных переменных дифференцируема в некоторой точке, то она непрерывна в этой точке.
Доказательство
Пусть функция f(x) непрерывна в точке a. Тогда ее полное приращение в точке a можно записать в виде

\Delta f(a)=\sum\limits_{k=1}^{n}{\frac{df(a)}{dx_{k}}}\Delta x_{k}+\alpha(\Delta x)|\Delta x|,

где \alpha(\Delta x)\rightarrow 0 при \Delta x\rightarrow 0. Из этого представления следует, что существует предел

\lim\limits_{\Delta x\rightarrow 0}{\Delta f(a)}=\sum\limits_{k=1}^{n}{\frac{df(a)}{dx_{k}}}\lim\limits_{\Delta x\rightarrow 0}{\Delta x_{k}}+\lim\limits_{\Delta x\rightarrow 0}{(\alpha(\Delta x)|\Delta x|)}=0,

означающий, что функция f(x) непрерывна в точке a.

Литература

Тест:Связь дифференцируемости функции в точке с непрерывностью в точке

Предлагаем проверить свои знания


Таблица лучших: Тест:Связь дифференцируемости функции в точке с непрерывностью в точке

максимум из 10 баллов
Место Имя Записано Баллы Результат
Таблица загружается
Нет данных