4.2 Определение и примеры непрерывных функций

Определение. Пусть функция $f$ определена на интервале $(a, b)$ и точка $x_0 \in (a, b)$. Говорят, что функция $f$ непрерывна в точке $x_0$, если
$$\lim_{x \to x_0} f(x) = f (x_0).$$

Замечание. В отличие от определения предела функции $f$ в точке $x_0$, здесь мы требуем, чтобы функция $f$ была определена не только в проколотой окрестности точки $x_0$, а в целой окрестности точки $x_0$. Кроме того, $\displaystyle \lim_{x \to x_0} f(x)$ не просто существует, а равен определенному значению, а именно, $f(x_0)$.

Используя определение предела функции в смысле Коши, определение непрерывности функции $f$ в точке $x_0$ в кванторах можно записать следующим образом:
$$\forall \varepsilon > 0 \space \exists \delta = \delta (\varepsilon) > 0 : \forall x \in (a, b) : |x−x_0| < \delta \Rightarrow \\ \Rightarrow |f(x)−f(x_0)| < \varepsilon.$$
В этом определении можно не требовать выполнения условия $|x−x_0| > 0$, т. к. при $|x−x_0| = 0$ неравенство $|f(x)−f(x_0)| < \varepsilon$, очевидно, выполнено.

Так как величина $\displaystyle \lim_{x \to x_0} f(x)$ зависит лишь от тех значений, которые функция $f$ принимает в сколь угодно малой окрестности точки $x_0$, то непрерывность — это локальное свойство функции.

В терминах окрестностей определение непрерывности выглядит следующим образом.

Определение. Функция $f$ называется непрерывной в точке $x_0$, если для любой окрестности $V$ точки $f(x_0)$ найдется такая окрестность $U$ точки $x_0$, что для всех $x \in U$ значение $f(x) \in V$ , т. е. $f(U \cap (a, b)) \subset V$.

Применяя определение предела функции в смысле Гейне, определение непрерывности можно сформулировать так.

Определение. Функция $f$, определенная на интервале $(a, b)$, называется непрерывной в точке $x_0 \in (a, b)$, если любая последовательность аргументов $\{x_n\} \space (x_n \in (a, b), x_n \to x_0)$ порождает последовательность значений функции $\{f(x_n)\}$, стремящуюся к $f(x_0)$.

Применяя понятие одностороннего предела (т. е. предела слева и справа) в точке $x_0$, можно дать определения непрерывности слева (справа) в точке $x_0$. Именно, функция $f$ называется непрерывной слева (справа) в точке $x_0$, если $\displaystyle \lim_{x \to x_0−0} f(x) = f(x_0) (\lim_{x \to x_0+0} f(x) = f(x_0))$. При этом в определении непрерывности слева достаточно считать, что функция $f$ определена лишь в левой полуокрестности точки $x_0$, т. е. на $(a, x_0]$, а для непрерывности справа — на $[x_0, b)$.

Легко видеть, что справедливо следующее

Утверждение. Для того, чтобы функция $f$ была непрерывной в точке $x_0$, необходимо и достаточно, чтобы $f$ была непрерывной слева и справа в точке $x_0$.

Определение. Функция $f$, определенная на интервале $(a, b)$, называется разрывной в точке $x_0 \in (a, b)$, если $f$ не является непрерывной в этой точке.

Итак, функция $f$ является разрывной в точке $x_0$, если выполнено одно из двух следующих условий.

1. Либо не существует $\displaystyle \lim_{x \to x_0} f(x)$.

2. Либо предел $\displaystyle \lim_{x \to x_0} f(x)$ существует, но он не равен $f(x_0)$.

Пример 1. $f(x) \equiv C = Const$. Эта функция непрерывна в каждой точке $x_0 \in \mathbb{R}$, т. к. для любого $x \in \mathbb{R} \space |f(x)−f(x_0)| = 0$.

Пример 2. $f(x) = x^2, −\infty < x < +\infty, x_0 \in \mathbb{R}$. Зададим $\varepsilon > 0$. Тогда из неравенства
$$|x^2-x_0^2| \leq (|x|+|x_0|)|x-x_0|$$
следует, что при $|x−x_0| < \delta = \min{\Bigr(1, \frac{\varepsilon}{2|x_0|+1}\Bigl)}$ справедливо неравенство $|x^2-x_0^2| < \varepsilon$, т. е. $\displaystyle \lim_{x \to x_0} x^2 = x_0^2$, а значит, функция $f(x) = x^2$ непрерывна в любой точке $x_0 \in \mathbb{R}$.

Пример 3. $f(x) = \sqrt{x}, \space 0 \leq x < +\infty$. Если $x_0 \in (0, +\infty)$, то
$$|\sqrt{x}-\sqrt{x_0}| = \frac{|x-x_0|}{\sqrt{x}+\sqrt{x_0}} \leq \frac{1}{\sqrt{x_0}} |x-x_0| < \varepsilon,$$
если только $|x-x_0| < \delta \equiv \sqrt{x_0} \cdot \varepsilon$. Таким образом, функция $f(x) = \sqrt{x}$ непрерывна в каждой точке $x_0 > 0$. В точке $x_0 = 0$ можно ставить вопрос о непрерывности справа. Имеем $|\sqrt{x}-\sqrt{0}| = \sqrt{x} < \varepsilon \space$, если только $0 \leq x < \delta \equiv \varepsilon^2$. Итак, $\displaystyle \lim_{x \to 0+} \sqrt{x} = 0 = \sqrt{0}$, т. е. функция $f(x) = \sqrt{x}$ непрерывна справа в точке $0$.

Пример 4. $f(x)=\sin{x}, -\infty < x < +\infty$. Пусть $x_0 \in \mathbb{R}$. Тогда
$$|\sin{x}−\sin{x_0}| = \Bigg|2\cos{\frac{x+x_0}{2}}\sin{\frac{x-x_0}{2}}\Bigg| \leq \\ \leq 2\Bigg|\sin{\frac{x-x_0}{2}}\Bigg| \leq |x−x_0|,$$
где последнее неравенство в этой цепочке следует из доказанного выше неравенства $|\sin{t}| \leq |t| \space (0 < |t| < \pi/2)$. Можем считать, что $|x−x_0| < \pi$. Тогда при $|x−x_0| < \delta \equiv \min{(\pi, \varepsilon)}$ справедливо $|\sin{x}−\sin{x_0}| < \varepsilon$, т. е. функция $f(x) = \sin{x}$ непрерывна в каждой точке $x_0 \in \mathbb{R}$.

Аналогично доказываем, что функция $f(x) = \cos{x}$ непрерывна в каждой точке $x_0 \in \mathbb{R}$.

Пример 5. $f(x) = x \cdot \sin{\frac{1}{x}}$ при $x \neq 0$ и $f(0) = 0$. Покажем, что функция $f$ непрерывна в точке $x_0= 0$. Имеем $f(0) = 0$ и
$$\lim_{x \to 0} f(x) = \lim_{x \to 0} x \sin{\frac{1}{x}} = 0$$
(т. к. $|f(x)−0| = |x \sin{\frac{1}{x}}| \leq |x| < \varepsilon$, если только $|x−0| = |x| < \delta \equiv \varepsilon$). Итак, $\displaystyle \lim_{x \to 0} f(x) = f(0)$, так что $f$ непрерывна в точке $0$.

Пример 6. $f(x) = \operatorname{sign} x, x \in R$. Если $x_0 \neq 0$, то функция $f$ постоянна в некоторой окрестности точки $x_0$ и, следовательно, непрерывна в этой точке. Если же $x_0 = 0$, то не существует предела функции $f$ при $x \to 0$. Значит, функция $f$ разрывна в точке $0$. Более того, $\displaystyle \lim_{x \to 0+} \operatorname{sign} x = 1, \lim_{x \to 0−} \operatorname{sign} x = −1, \operatorname{sign} 0 = 0$, так что функция $\operatorname{sign} x$ разрывна в точке $0$ как слева, так и справа.

Пример 7. Рассмотрим функцию Дирихле
$$\begin{equation*}D(x) = \begin{cases} 1, \quad x \in \mathbb{Q}, \\ 0, \quad x \in \mathbb{R \setminus Q}. \end{cases} \end{equation*}$$
Пусть $x_0 \in \mathbb{R}$. Покажем, что не существует предела функции $D$ при $x \to x_0$. Для этого выберем последовательность $\{x^\prime_n\}$ отличных от $x_0$ рациональных чисел, стремящуюся к $x_0$. Тогда $D(x^\prime_n) = 1$ и, значит, $\displaystyle \lim_{n \to \infty} D(x^\prime_n) = 1$. Если же взять последовательность $\{x^{\prime\prime}_n\}$, отличных от $x_0$ иррациональных чисел, стремящуюся к $x_0$, то получим, что $D(x^{\prime\prime}_n) = 0$ и $\displaystyle \lim_{n \to \infty} D(x^{\prime\prime}_n) = 0$. В силу определения предела функции по Гейне получаем, что функция $D$ не имеет предела в точке $x_0$. Так как $x_0 \in \mathbb{R}$ — произвольная точка, то это означает, что функция Дирихле разрывна в каждой точке.

Пример 8. $f(x) = x \cdot D(x), \space x \in \mathbb{R}$. Функция $f$ разрывна в каждой точке $x_0 \neq 0$. В самом деле, если $\{x^\prime_n\}$ и $\{x^{\prime\prime}_n\}$ соответственно последовательности рациональных и иррациональных отличных от $x_0$ чисел, стремящиеся к $x_0$, то $\displaystyle \lim_{n \to \infty} f(x^\prime_n) = 0$ и $\displaystyle \lim_{n \to \infty} f(x^{\prime\prime}_n) = 0$, так что, в силу определения предела функции по Гейне, функция $f$ не имеет предела в точке $x_0$. Если же $x_0 = 0$, то $\displaystyle \lim_{x \to 0} f(x) = 0 = f(0)$. Действительно, $|f(x)| = |x \cdot D(x)| \leq |x| < \varepsilon$, если только $|x−0| = |x| < \delta \equiv \varepsilon$. Это означает, что данная функция непрерывна в единственной точке $x_0 = 0$.

Примеры решения задач

Пусть функция $f$ определена в окрестности точки $x_0$, кроме самой точки $x_0$. Доопределить функцию $f$, задав $f(x_0)$ так, чтобы получившаяся функция была непрерывна в точке $x_0$, если:

  1. $\displaystyle f(x) = \frac{x^2-1}{x+1}, \space x_0 = -1$.

    Решение

    $$\lim_{x \to x_0} f(x) = \lim_{x \to x_0} \frac{(x-1)(x+1)}{x+1} = \lim_{x \to -1} (x-1) = -2$$
    Таким образом, положим $\displaystyle f(-1) = \lim_{x \to -1} f(x) = -2$. Значит, функция непрерывна в точке $x_0 = -1$.

  2. $\displaystyle f(x) = \frac{\sqrt{1+x}-1}{x}, \space x_0 = 0$.

    Решение

    Воспользовавшись таблицей эквивалентных, получим:
    $$\lim_{x \to x_0} f(x) = \lim_{x \to x_0} \frac{(1+x)^{\frac{1}{2}}-1}{x} \backsim \lim_{x \to 0} \frac{\frac{1}{2}x}{x} = \frac{1}{2}$$
    Таким образом, положим $\displaystyle f(0) = \lim_{x \to 0} f(x) = \frac{1}{2}$. Значит, функция непрерывна в точке $x_0 = 0$.

  3. $\displaystyle f(x) = x\cot{x}, \space x_0 = 0$.

    Решение

    Воспользовавшись таблицей эквивалентных, получим:
    $$\lim_{x \to x_0} f(x) = \lim_{x \to x_0} x\frac{\cos{x}}{\sin{x}} \backsim \lim_{x \to 0} x\frac{\cos{x}}{x} = 1$$
    Таким образом, положим $\displaystyle f(0) = \lim_{x \to 0} f(x) = 1$. Значит, функция непрерывна в точке $x_0 = 0$.

Непрерывные функции

Проверьте, насколько хорошо вы усвоили эту тему и закрепите свои знания по ней, пройдя тест.

Теоремы Вейерштрасса о непрерывных функциях на компактных множествах

Первая теорема Вейерштрасса

Пусть K — компакт в \mathbb{R}^{n} и функция f: K\rightarrow \mathbb{R}^{m} непрерывна на K. Тогда эта функция ограничена на K.

Доказательство

В силу непрерывности f, для любого x\in K найдётся окрестность U_{x}, такая что функция f ограничена на множестве U_{x}, то есть для каждого y\in K \cap U_{x} справедливо неравенство \begin{Vmatrix} f(y) \end{Vmatrix}\leq M_{x}, где M_{x} зависит от x. Совокупность открытых шаров U_{x} образует открытое покрытие компактного множества K. В силу компактности, из него можно выделить конечное подпокрытие U_{x_{1}}, ..., U_{x_{p}}. Этим шарам соответствуют числа M_{x_{1}}, ..., M_{x_{p}}. На каждом и этих шаров функция f ограничена этим числом. Пускай M=\max_{1\leq i\leq p}M_{x_{i}}. Тогда для любого x\in K получим, что \begin{Vmatrix} f(x) \end{Vmatrix}\leq M.

Пусть функция f: \mathbb{R}\rightarrow \mathbb{R} непрерывна на \left[a, b \right]. По первой теореме Вейерштрасса эта функция ограничена на \left[a, b \right].

Vey1

Вторая теорема Вейерштрасса

Пусть f: K\rightarrow \mathbb{R} — действительная непрерывная функция на компакте K\subset \mathbb{R}^{n}. Тогда на этом множестве функция f достигает своей верхней и нижней границы, то есть существуют такие x^{'}, x^{''}\in K, что

f(x^{'})=\sup_{x\in E}f\left(x \right), f(x^{''})=\inf_{x\in E}f\left(x \right).

Доказательство

Пусть f: E\rightarrow \mathbb{R}, где E\subset \mathbb{R}^{n}. Функция f называется ограниченной сверху на множестве E, если существует такая постоянная M, то для всех x\in E справедливо неравенство \begin{Vmatrix} f(x) \end{Vmatrix}\leq M. Каждое такое число M называется верхней границей функции f, а наименьшая из всех верхних границ называется точной верхней границей или верхней гранью функции f и обозначается \sup_{x\in E}f\left(x \right).

Пойдём от противного. Допустим, верхняя грань не достигается, то есть для каждого x\in K справедливо неравенство f(x)<M, где M — верхняя грань функции f на K.

Рассмотрим функцию \varphi (x)=\frac{1}{M-f(x)}. Эта функция положительна и непрерывна в каждой точке x\in K. По ранее доказанной первой теореме Вейерштрасса она ограничена, то есть существует такое число \mu >0, что \varphi (x)\leq \mu для любого x\in K. Это означает, что \frac{1}{M-f(x)}\leq \mu, или, что то же самое, f(x)\leq M-\frac{1}{\mu}(x\in K). Следовательно, число M-\frac{1}{\mu} является верхней границей для функции f. Но так как \mu >0, то это противоречит тому, что M является верхней гранью функции f, то есть наименьшей из всех верхних границ.

Аналогично теорема доказывается и для нижней грани.

Пусть функция f: \mathbb{R}\rightarrow \mathbb{R} непрерывна на \left[a, b \right]. Тогда на этом множестве функция f достигает своей верхней и нижней граней M=f(x^{''})=\sup_{x\in E}f\left(x \right), m=f(x^{'})=\inf_{x\in E}f\left(x \right).

Vey2

Пример

Пусть f(x,y)=x^{5}+y^{4}+2x^{3}y^{2}+1. Будет ли f ограничена на \left[5, 7 \right]\times\left[8,9 \right]?

Ответ показать

Тест на знание теорем Вейерштрасса о непрерывных функциях на компакте

Тест поможет понять, как хорошо вы усвоили приведённый выше материал.

Теорема о непрерывности обратной функции

Теорема (о непрерывности обратной функции)

Если f\in C[a;b] и f строго возрастает на I = [a;b], то на E = [f(a),f(b)] определена функция x=g(y), которая будет обратной к f, непрерывной на [f(a), f(b)] и строго возрастающей на [a;b].

Если f\in C[a;b] и f строго убывает на [a;b], то на [f(b), f(a)] определена функция x=g(y), которая будет обратной к f, непрерывной на [f(b), f(a)] и строго убывающей на [a;b].

Доказательство:

Предположим, что функция f строго возрастает на отрезке I.
По следствию из 2-ой теоремы Коши о промежуточном значении непрерывных функций область значений E непрерывной функции f тоже есть отрезок.

В силу строгого возрастания функции f для каждого y\in E существует единственная точка x\in I такая, что f(x)=y.
Следовательно, для функции f существует обратная функция f^{-1}, определенная на отрезке E, имеющая множество значений I.

Покажем, что f^{-1} строго возрастает на E.

Пусть y_{1} и y_{2} — две произвольные точки из E такие, что y_{1}<y_{2}, и прообразами этих точек будут точки x_{1} и x_{2}. f^{-1}(y_{1})=x_{1} и f^{-1}(y_{2})=x_{2}.

Поскольку f — строго возрастающая функция, то неравенство y_{1}=f(x_{1})<f(x_{2})=y_{2} возможно тогда и только тогда, когда x_{1}<x_{2} или, что то же самое, когда f^{-1}(y_{1})<f^{-1}(y_{2}).

В силу произвольности y_{1} < y_{2} делаем вывод, что функция f^{-1} строго возрастает на множестве E.

Для случая, когда f строго убывает, теорема доказывается аналогично.

Источники

  • Лысенко З.М. Конспект лекций по курсу математического анализа. (Тема «Свойства функций непрерывных на отрезке»).

Литература

Вторая теорема Коши о промежуточном значении непрерывных функций

Теорема.
Если функция $f$ непрерывна на отрезке $ [a,b] $, $A=f(a) \neq f(b)=B$ и число $C$ заключено между числами $A$ и $B$, то существует такая точка $c \in [a,b]$, что $f(c)=C$.
Доказательство.
Не нарушая общности будем считать, что $ A = f(a) < f(b) = B $. Рассмотри функцию $h(x)=f(x)-C$, непрерывность на отрезке $ [a,b] $ которой следует из непрерывности функции $f$. Очевидно что $h(a)=A-C<0$ и $h(b)=B-C>0$. Применяем к $h$ первую теорему Коши и находим точку $c$ в которой $h(c)=f(c)-C=0$, то-есть $ f(c)=C $. Теорема доказана.
Геометрический смысл теоремы.
Как мы видим на рисунке изображен график функции $f(x)$(в общем произвольной), непрерывной на отрезке $[a,b]$, где $f(b) < f(a)$, $C$ произвольная точка на отрезке $[f(b),f(a)]$ и прямая $l$ задана формулой $l(x)=C$. Как мы видим, прямая $l$ обязана пересечь кривую $f(x)$ в какой-то точке $M$, лежащей на кривой $f(x)$, между точками $A(a,f(a))$ и $B(b,f(b))$. То-есть существует такое $c\in [a,b]$, что $f(c)=C$.

Замечание 1.
Первую и вторую теоремы Коши объединяют в одну, теорему Коши о промежуточном значении функции. В таком случае, теорема о нулях функции считается частным случаем. В то же время, как видно из доказательства вторая теорема Больцано-Коши является прямым следствием первой. Также теорему Коши о промежуточном значении функции называют теоремой Больцано-Коши о промежуточном значении функции.
Замечание 2.
Теорема Коши о промежуточном значении, применяется в доказательствах. Примеров на эту тему как таковых нету, но мы очень часто пользуемся этой теоремой, даже не замечая этого.
Пример.
Пусть функция $f(x)=x^{2}$ определенна и непрерывна на отрезке $[-2,2]$ .
Посчитаем значение функции в точках : $x=-0,75$, $x=0,25$, $x=1,5$.
Мы знаем что данная функция непрерывна на данном отрезке (в силу того что это полиномиальная функция), а значит, в силу второй теоремы Коши, она принимает все свои промежуточные значения и ее значения в указанных точках равны:
$f(-0,75)=0,5625$, $f(0,25)=0,0625$, $f(1,5)=2,25$.
Литература.

Вторая теорема Коши

Тест на тему: «Вторая теорема Коши»


Таблица лучших: Вторая теорема Коши

максимум из 5 баллов
Место Имя Записано Баллы Результат
Таблица загружается
Нет данных

Интегрируемость по Риману непрерывных функций и кусочно-непрерывных функций

Теорема 1. Если функция f непрерывна на отрезке [a,b] то она интегрируема на этом отрезке.

Доказательство. По теореме Кантора функция f равномерно непрерывна на [a,b]. Это означает, что для любого \varepsilon > 0 найдется такое \delta >0,
что для любых точек x', x'' \in [a,b], таких, что \mid x'-x'' \mid < \delta, справедливо
неравенство |f(x')-f(x'')|< \varepsilon . Отсюда следует, что для любого разбиения
\Pi, диаметр которого d(\Pi ) <\delta, справедливо неравенство
{\omega _i} = \mathop {\sup }\limits_{x',x'' \in \left[ {{x_i},{x_{i + 1}}} \right]} \left| {f\left( {x'} \right) - f\left( {x''} \right)} \right| \leqslant \varepsilon , \left( {i = 0,1,...,n - 1} \right).
Поэтому
\sum\limits_{i = 0}^{n - 1} {{\omega _i}\Delta {x_i} \leqslant \varepsilon \sum\limits_{i = 0}^{n - 1} {\Delta {x_i} = \varepsilon \left( {b - a} \right)} } ,
если только d(\Pi ) <\varepsilon. Таким образом, выполнено условие критерия интегрируемости в терминах колебаний и тем самым теорема доказана. \blacksquare

Теорема 2. Если функция f ограничена на отрезке [a,b] и имеет на этом отрезке лишь конечное число точек разрыва, то она интегрируема на [a,b].

Доказательство. Пусть a_1,..., a_k – точки разрыва. Зададим \varepsilon >0
и для каждой точки разрыва выберем некоторую ее окрестность длины,
меньшей чем \varepsilon. Эти окрестности можно выбрать так, чтобы они попарно не пересекались. Обозначим их \Delta _1,...,\Delta _k. Выбросив эти окрестности
из отрезка [a,b], получим конечный набор отрезков I_1,...,I_k (их количество не обязательно равно k). На каждом из этих отрезков функция
непрерывна и, в силу теоремы Кантора, равномерно непрерывна. Поэтому для каждого отрезка I_j найдется \delta_j>0, такое, что для любой пары
точек x', x'' \in I_j условие |x'-x''|<\delta _j влечет выполнение неравенства
\mid f\left(x' \right)-f\left(x'' \right)\mid < \varepsilon. Положим \delta =min(\delta _1,\delta _2, ..., \delta _m, \varepsilon ).
Пусть теперь \Pi :a=x_0<x_1< ... <x_n=b – произвольное разбиение отрезка [a,b] с диаметром d(\Pi ) <\delta . Рассмотрим сумму
\sum\limits_{i = 0}^{n - 1} \omega _i\Delta x_i.
Разобьем ее на две суммы. В первую отнесем слагаемые, отвечающие тем
отрезкам [x_i,x_{i+1}], каждый из которых содержится в одном из отрезков
I_j. Для этих отрезков имеем \omega _i\leq \varepsilon , и поэтому для соответствующей суммы справедливо неравенство

\sum\nolimits_{}^/ {{\omega _i}\Delta {x_i}} < \varepsilon \sum\nolimits_{}^/ {\Delta {x_i}} \leqslant \varepsilon \left( {b - a} \right).

Во вторую сумму попадают слагаемые, отвечающие тем отрезкам
[x_i,x_{i+1}], каждый из которых имеет общие точки по крайней мере с одним
из интервалов \Delta _j . Оценим сумму длин этих отрезков. Среди частичных отрезков, имеющих общие точки с \Delta _j, могут быть такие, которые целиком содержатся в \Delta _j . Сумма их длин не превосходит длины интервала
\Delta _j , которая, в свою очередь, не превосходит \varepsilon. Кроме того, могут быть
два отрезка, содержащие концы интервала \Delta _j, сумма их длин не превосходит 2\delta \leq 2\varepsilon . Таким образом, сумма длин всех отрезков, имеющих
общие точки с интервалами \Delta _1...\Delta _k , не превосходит 3k\varepsilon. Обозначим
через \Omega колебание функции f на отрезке [a,b]. Поскольку f ограничена, то \Omega <\propto и \omega _i\leq \Omega (i=0,1,...,n-1). Поэтому для второй суммы
получаем следующую оценку:

\sum\nolimits_{}^{//} {{\omega _i}\Delta {x_i} \leqslant \Omega \sum\nolimits_{}^{//} {\Delta {x_i} \leqslant 3k\Omega \varepsilon } } .

Окончательно,

 \sum\limits_{i = 0}^{n - 1} \omega _i\Delta x_i =  \sum\nolimits_{}^/ {\omega _i}\Delta x_i + \sum\nolimits_{}^{//} \omega _i\Delta {x_i} \leqslant  \varepsilon \left( {b - a + 3k\Omega } \right) .

Отсюда, в силу критерия интегрируемости в терминах колебаний, вытекает справедливость теоремы. \blacksquare

Пример 1. Функция
f\left( x \right) = \left\{ \begin{gathered} \sin \frac{1}{x},\;0 < x \leqslant 1, \hfill \\ 0,\;x = 0 \hfill \\ \end{gathered} \right.
sin1

ограничена и непрерывна всюду, за исключением одной точки. Следовательно, она интегрируема на отрезке [0,1].

Пример 2. Рассмотрим
f\left( x \right) = \left\{ \begin{gathered} sign\;(\sin \frac{1}{x}),\;0 < x \leqslant 1, \hfill \\ 0,\;x = 0 \hfill \\ \end{gathered} \right.
У этой функции множество точек разрыва счетно и она не является монотонной. Тем не менее она ограничена, и ее интегрируемость легко доказать, используя критерий Римана и теорему 2. Действительно, зададим
\varepsilon >0 и рассмотрим функцию на отрезке [\varepsilon ,1] . На этом отрезке функция
ограничена и имеет конечное число точек разрыва. В силу теоремы 2, функция интегрируема на [\varepsilon ,1], так что, по критерию Римана, найдется
такое \delta >0, что если только отрезок [\varepsilon ,0] будет разбит на части, длины
которых меньше, чем \delta , то
\sum {{\omega _i}\Delta {x_i} < \varepsilon } .
Можем считать, что \delta <\varepsilon . Если теперь весь отрезок [0,1] разбить на
части, длины которых меньше, чем \delta, то
\sum\nolimits_{}^/ {{\omega _i}\Delta {x_i}}, слагаемых, отвечающих тем отрезкам, которые содержатся целиком в [\varepsilon ,1], меньше, чем \varepsilon.
Далее, сумма длин отрезков \left[ {{x_i},{x_{i + 1}}} \right], имеющих общие точки с [0,\varepsilon ], не
превосходит \varepsilon + \delta \leqslant 2\varepsilon. Учитывая, что колебание функции на каждом из
отрезков не превосходит 2, получим
\sum\nolimits_{}^{//} {{\omega _i}\Delta {x_i} \leqslant 2\sum\nolimits_{}^{//} {\Delta {x_i} \leqslant 4\varepsilon } } .
Окончательно,
\sum\limits_{i = 0}^{n - 1} {{\omega _i}\Delta {x_i} \leqslant 5\varepsilon } ,
так что, в силу критерия Римана, функция интегрируема на \left[ {0,1} \right].

Литература:

  1. В. И. Коляда, А. А. Кореновский Курс лекций по математическому анализу. Часть 1, Одесса, Астропринт, 2009 [стр. 186-189].
  2. Л. Д. Кудрявцев, Курс математического анализа, том первый (стр. 548-551).