4.6 Свойство промежуточных значений

Теорема Больцано – Коши (о корне). Пусть функция $f$ непрерывна на отрезке $\left[a, b\right]$ и на концах этого отрезка принимает значения разных знаков. Тогда существует точка $c \in \left(a, b\right)$, такая, что $f\left(c\right) = 0$.

Применяем метод деления отрезка пополам и лемму Кантора о вложенных отрезках. Пусть, например, $f\left(a\right)<0<f\left(b\right)$. Обозначим $\left[a_0, b_0\right] \equiv \left[a, b\right]$ и разделим $\left[a_0, b_0\right]$ пополам точкой $c_0 =\displaystyle\frac{a_0+b_0}{2}$. Если $f\left(c_0\right) = 0$, то теорема доказана. В противном случае из двух полученных отрезков $\left[a_0, c_0\right]$ и $\left[c_0, b_0\right]$ выберем такой, что на его концах функция f принимает значения разных знаков. Это будет отрезок $\left[a_1, b_1\right] \equiv \left[a_0, b_0\right]$, если $f \left(c_0\right) > 0$, и $\left[a_1, b_1\right] \equiv \left[c_0, b_0\right]$, если $f \left(c_0\right) < 0$. Заметим, что длина отрезка$\left[a_1, b_1\right]$ равна $b_1 − a_1$ = $\displaystyle\frac{b-a}{2}$. На следующем шаге разделим $\left[a_1, b_1\right]$ пополам и продолжим описанную процедуру. Если на каком-либо шаге встретится точка деления, в которой функция $f$ обращается в нуль, то теорема доказана. В противном случае получим последовательность вложенных друг в друга отрезков $\left[a_n, b_n\right]$, таких, что их длины $b_n − a_n =\displaystyle\frac{b−a}{2^n} \rightarrow 0 \;при\; n \to \infty$. По лемме Кантора, существует точка c, принадлежащая всем $\left[a_n, b_n\right]$. Покажем, что $f\left(c\right) = 0$. Отсюда, в частности, будет следовать, что $c$ не совпадает ни $с\;a$, ни $с\;b$, т. к. $f\left(a\right) \neq 0$ и $f\left(b\right) \neq 0$.
Для доказательства равенства $f\left(c\right) = 0$ покажем, что для всех $n$ справедливо неравенство
$$\begin{equation}\label{eq:exp1}f \left(a_n\right) < 0 < f \left(b_n\right)\end{equation}.$$
Применим индукцию по $n$. При $n = 0$ неравенство $\eqref{eq:exp1}$ совпадает с принятым условием $f\left(a\right)<0<f\left(b\right)$. Предположим, что неравенство $\eqref{eq:exp1}$ справедливо при некотором $n$, и покажем, что оно имеет место и для $n + 1$. Обозначим $c_n =\displaystyle\frac{a_n+b_n}{2}$. Тогда, согласно описанной процедуре отбора сегментов, мы полагаем $\left[a_n+1, b_n+1\right] \equiv \left[a_n, c_n\right]$, если $f \left(c_n\right) > 0$, и $\left[a_n+1, b_n+1\right] \equiv \left[c_n, b_n\right]$, если $f \left(c_n\right) < 0$. Отсюда легко видеть, что неравенство $\left(4.5\right)$ справедливо и при $n + 1$, и тем самым $\eqref{eq:exp1}$ доказано для всех $n = 0, 1, \dotsc.$
Далее, поскольку $a_n \leqslant c \leqslant b_n \left ( n = 0, 1, \dotsc\right )$ и $b_n − a_n \rightarrow 0 \left(n \to \infty \right)$, то $a_n \rightarrow c \left(n \to \infty \right)$ и $b_n \rightarrow c \left(n \to \infty \right)$. В силу непрерывности функции $f$ в точке $c$, из неравенств $f\left(a_n\right) < 0$ следует, что и $f\left ( c\right ) = \lim_\limits{n \to \infty}f \left(a_n\right) \leqslant 0$.
С другой стороны, поскольку $f \left(b_n\right) > 0$, то и $f\left ( c\right ) = \lim_\limits{n \to \infty}f \left(b_n\right) \leqslant 0$.
Итак, получили, что $f\left(c\right) \leqslant 0$ и $f(c) \geqslant 0$. Отсюда следует, что $f\left(c\right) = 0$.

Следствие (свойство промежуточных значений). Пусть функция $f$ непрерывна на отрезке $\left[a, b\right]$. Тогда функция $f$ принимает все значения, заключенные между $f\left(a\right)$ и $f\left(b\right)$. Именно, для любого числа $A$, заключенного между $f\left(a\right)$ и $f\left(b\right)$, найдется такая точка $c \in \left[a, b\right]$, что $f\left(c\right) = A$.

Для доказательства этого следствия достаточно применить теорему Больцано – Коши к функции $g\left(x\right) = f\left(x\right) − A$.
Утверждение, обратное данному следствию, неверно. В этом легко убедиться на примере функции $$\left\{\begin{matrix}
x,    x\in\mathbb{Q}\cap \left[0,1\right]\\
1-x, x \in \left[0,1\right] \setminus \mathbb{Q}
\end{matrix}\right.$$Если же функция $f$ монотонна на $\left[a, b\right]$, то, как показывает теорема $3$, данное следствие можно обратить. Таким образом, из теоремы $3$ и свойства промежуточных значений мы получаем следующий критерий непрерывности монотонной функции.

Теорема. Монотонная на отрезке $\left[a, b\right]$ функция $f$ непрерывна на этом отрезке тогда и только тогда, когда она принимает все промежуточные значения между $f\left(a\right)$ и $f\left(b\right)$.

Пример. Покажем, что каждый многочлен нечетной степени имеет по крайней мере один действительный корень. Пусть $P_{2k+1}\left(x\right) = a_0x^{2k+1} + a_1x^{2k} + \cdots + a_{2k+1}$, причем можем считать, что $a_0 > 0$. Тогда, очевидно, $\lim_\limits{x\to-\infty }P_{2k+1}\left(x\right ) = -\infty$, а значит, существует такое $a$, что $P_{2k+1}\left(a\right ) < 0$. Далее, поскольку $\lim_\limits{x\to+\infty }P_{2k+1}\left(x\right ) = +\infty$,то найдется такое $b > a$, что $P_{2k+1}\left(a\right ) > 0$. Поскольку многочлен $P_{2k+1}$ непрерывен на $\left[a, b\right]$, то, в силу теоремы Больцано-Коши, найдется такое $c \in \left(a,b\right)$, что $P_{2k+1}\left(c\right ) =0$.

Примеры

  1. Пусть функция $f(x)=x^{2}$ определенна и непрерывна на отрезке $[-2,2]$.
    Посчитаем значение функции в точках: $x=-0,75$, $x=0,25$, $x=1,5$.

    Решение

    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:
    $f(-0,75)=0,5625$, $f(0,25)=0,0625$, $f(1,5)=2,25$.

  2. Докажите, что многочлен нечетной степени всегда имеет корень.
    Указание. Представьте многочлен $p\left(x\right)=a_nx^n+a_{n−1}x^{n−1}+\cdots+a_1x+a_0$ в виде $p\left(x\right)=x^n\left(a_n+\displaystyle\frac{a_{n−1}}{x}+\displaystyle\frac{a_{n−2}}{x^2}+\cdots+\displaystyle\frac{a_1}x^{n−1}+\displaystyle\frac{a_0}{x^n}\right)$ и покажите, что при $x$, больших по модулю, он принимает как положительные, так и отрицательные значения.

    Решение

    Без ограничений общности $a_n > 0$. $\lim_\limits{x\to+\infty}\left(x^n\left(a_n+\cdots+\displaystyle\frac{a_0}{x^n}\right)\right)$ — есть величина положительная.Если устремить $x$ в минус бесконечность,то $p\left(x\right)$. Есть величина отрицательная. Значит можем выбрать точки $a,b$(большие по модулю и $a_0$) такие, что $p\left(a\right)0$
    Многочлен нечетной степени есть непрерывная функция.
    По теореме Больцано-Коши существует $c\in\left[a,b\right]$
    такая, что $p\left(c\right) = 0$
    Значит как минимум один корень есть.

Литература

Смотрите также

  1. Фихтенгольц Г. М. Курс дифференциального и интегрального исчисления: учеб. пособие для ун-тов и пед. ин-тов. Т. 2 / Г. М. Фихтенгольц. — 5-е изд., стереотип. — Москва: Физматгиз, 1970 (стр.134, 171)
  2. 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 (стр.216)

Свойство промежуточных значений

Пройдя этот тест, вы закрепите пройденный ранее материал по теме «Свойство промежуточных значений»

М1719. Последовательность

Задача из журнала «Квант» (2000 год, 1 выпуск)

Условие

Последовательность $a_{1}$, $a_{2}$, $a_{3}$, $\ldots$ задана своим первым членом $a_{1} = 1$ и рекуррентной формулой $\displaystyle a_{n+1} = a_{n} + \frac{1}{a_{n}}$, где $n = 1, 2, 3, \ldots$

  1. Докажите, что $a_{100} > 14$.
  2. Найдите $\lbrack a_{1000}\rbrack$, то есть укажите такое целое число $m$, для которого $m \leqslant a_{1000} < m + 1$.
  3. Докажите существование и найдите значение предела $\displaystyle\lim\limits_{n \to \infty} \frac{a_{n}}{\sqrt{n}}$.

Решение

  1. Возводим равенство $\displaystyle a_{n+1} = a_{n} + \frac{1}{a_{n}}$ в квадрат и «отбрасываем лишнее»: $$a_{n+1}^{2} = a_{n}^{2} + 2 + \frac{1}{a_{n}^{2}} > {a_{n}^{2}} + 2.$$ Вспомнив, что $a_{1}^{2} = 1$, получаем одно за другим неравенства $a_{2}^{2} > a_{1}^{2} + 2 = 3$, $a_{3}^{2} > a_{2}^{2} + 2 > 3 + 2 = 5$, и вообще (при $n > 1$), $$\begin{equation}\label{m1719_first} a_{n}^{2} > 2n — 1\end{equation}.$$ В частности, $a_{100}^{2} > 199 > 196 > 14^{2}$, что и требовалось.
  2. Ответ: $\lbrack a_{1000}\rbrack = 44$.

    При $n = 1000$ неравенство $\eqref{m1719_first}$ дает $a_{1000}^{2} > 1999 > 44^{2}$, так что $\lbrack a_{1000}\rbrack \geqslant 44$. Чтобы получить оценку сверху, введем величины $b_{n}$, такие что $a_{n}^{2} = 2n — 1 + b_{n}$. В силу неравенства $\eqref{m1719_first}$, имеем $b_{n} > 0$ при $n > 1$. Далее, запишем формулу $\displaystyle a_{n+1}^{2} = a_{n}^{2} + 2 + \frac{1}{a_{n}^{2}}$ в виде
    $$2n + 1 + b_{n+1} = 2n — 1 + b_{n} + 2 + \frac{1}{2n — 1 + b_{n}},$$
    откуда
    $$b_{n+1} = b_{n} + \frac{1}{2n — 1 + b_{n}} \leqslant b_{n} + \frac{1}{2n — 1}.$$

    По индукции из последнего неравенства следует, что
    $$b_{n+1} \leqslant b_{1} + \frac{1}{1} + \frac{1}{3} + \ldots + \frac{1}{2n — 3} + \frac{1}{2n — 1}. $$
    Поскольку $b_{1} = 0$, имеем, в частности,
    $$b_{1000} \leqslant 1 + \frac{1}{3} + \frac{1}{5} + \ldots + \frac{1}{1995} + \frac{1}{1997}.$$
    Осталось оценить сумму, оказавшуюся в правой части последнего неравенства. Сгруппируем слагаемые:
    $$b_{1000} \leqslant 1 + \left(\frac{1}{3} + \frac{1}{5} + \frac{1}{7}\right) + \left(\frac{1}{9} + \frac{1}{11} + \frac{1}{13} + \frac{1}{15} + \ldots + \frac{1}{25}\right) + \\ + \left(\frac{1}{27} + \frac{1}{29} + \frac{1}{31} + \frac{1}{33} + \ldots + \frac{1}{79}\right) + \left(\frac{1}{81} + \frac{1}{83} + \ldots + \frac{1}{241}\right) + \\ + \left(\frac{1}{243} + \frac{1}{245} + \ldots + \frac{1}{727}\right) + \left(\frac{1}{729} + \frac{1}{731} + \ldots + \frac{1}{1997}\right).$$
    (Принцип очень простой: в первой скобке три слагаемых, наибольшее из которых равно $\displaystyle\frac{1}{3}$; во второй — девять, наибольшее из которых $\displaystyle\frac{1}{9}$; …; в пятой — $243$ слагаемых, наибольшее $\displaystyle\frac{1}{243}$; наконец, в шестой скобке наибольшее слагаемое равно $\displaystyle\frac{1}{729}$, а слагаемых всего лишь $635$.) Следовательно, $b_{1000} < 7$. Это позволяет утверждать, что $$a_{1000}^{2} < 2000 - 1 + 7 < 2025 = 45^2,$$ откуда $a_{1000} < 45$.

  3. Использованный при решении пункта б) прием позволяет доказать, что $\displaystyle\lim\limits_{n\to \infty}\frac{b_{n}}{n} = 0.$ Поскольку $a_{n} = \sqrt{2n — 1 + b_{n}}$, получаем ответ:
    $$\displaystyle\lim_{n \to \infty} \frac{a_{n}}{\sqrt{n}} = \sqrt{2}.$$

А. Спивак

Признак сравнения несобственных интегралов

Признак сравнения в форме неравенств

Теорема

Пусть функции $f$ и $g$ неотрицательны на $[a,b)$ и интегрируемы на каждом отрезке, содержащемся в $[a,b)$. Предположим, что $f(x)\leq g(x)$ для любого $x\in [a,b)$. Тогда:

  1. из сходимости интеграла $I_{2}=\int_{a}^{b}{g(x)dx}$ следует сходимость интеграла $I_{1}=\int_{a}^{b}{f(x)dx}$;
  2. из расходимости интеграла $I_{1}=\int_{a}^{b}{f(x)dx}$ следует расходимость интеграла $I_{2}=\int_{a}^{b}{g(x)dx}$;
Доказательство показать

Пример показать

Признак сравнения в предельной форме

Теорема

Пусть функции $f(x) $ и $g(x) $ неотрицательны на $[a,b)$ и интегрируемы на каждом отрезке, содержащемся в $[a,b)$. Тогда, если для $\forall x \in [a,b)$ выполняются условие $f(x)\sim g(x)$ при $x\rightarrow b-0$  $(\lim_{x \rightarrow b-0}\frac{f(x)}{g(x)}=1)$. Тогда интегралы $I_{1}=\int_{a}^{b}{f(x)dx}$ и $I_{2}=\int_{a}^{b}{g(x)dx}$ сходятся или расходятся одновременно (ведут себя одинаково).

Доказательство показать

Замечание

Если функция $f(x)$ интегрируема на отрезке $[a,\xi]$ при $\forall \xi \geq \alpha$ и если $f(x)\sim \frac{A}{x^{\alpha}}$ при $x\rightarrow +\infty$, где $A\neq 0$, то интеграл $\int_{\alpha }^{+\infty}{f(x)dx}$ сходится при $\alpha >1$ и расходится при  $\alpha \leq 1$.

Пример показать

Тест по теме: Признак сравнения несобственных интегралов

Этот тест покажет ваши знания по данной теме.

Таблица лучших: Тест по теме: Признак сравнения несобственных интегралов

максимум из 15 баллов
Место Имя Записано Баллы Результат
Таблица загружается
Нет данных

Свойства границ, связанные с арифметическими операциями и с неравенствами

Свойства пределов, связанные с алгебраическими операциями

Если функции f(x) и g(x) имеют конечные пределы в точке a, причем \lim_{x\rightarrow a}f(x)=A и \lim_{x\rightarrow a}g(x)=B то:

  1. \lim_{x\rightarrow a}(f(x)+g(x))=A+B
  2. Доказательство
    Так как функции f(x) и g(x) имеют предел в точке a, то при x\rightarrow a величины h_{f}(x)=A-f(x) и h_{g}(x)=B-g(x) будут бесконечно малыми. Отсюда, согласно свойствам бесконечно малых h_{f}+h_{g}=(A+B)-(f(x)+g(x)) также будет бесконечно малой величиной. Что в свою очередь означает, что \lim_{x\rightarrow a}(f(x)+g(x))=A+B

  3. \lim_{x\rightarrow a}(f(x)g(x))=AB
  4. Доказательство
    Так как функции f(x) и g(x) имеют предел в точке a, то при x\rightarrow a величины h_{f}(x)=A-f(x) и h_{g}(x)=B-g(x) будут бесконечно малыми. Поэтому g(x)=A-h_{f}(x) и g(x)=B-h_{g}(x). Отсюда
    \\f(x)g(x)=(A-h_{f})(B-h_{g})\\f(x)g(x)=AB-Ah_{g}-Bh_{f}+h_{f}h_{g}\\AB-f(x)g(x)=Ah_{g}+Bh_{f}-h_{f}h_{g}
    Согласно свойствам бесконечно малых, величина в правой части — бесконечно малая. Что в свою очередь означает, что \lim_{x\rightarrow a}(f(x)g(x))=AB

  5. \lim_{x\rightarrow a}(\frac{f(x)}{g(x)})=\frac{A}{B}, причем B\neq 0
  6. Доказательство
    Условие \lim_{x\rightarrow a}(\frac{f(x)}{g(x)})=\frac{A}{B} эквивалентно тому, что разность \frac{A}{B}-\frac{f(x)}{g(x)}
    бесконечно малая величина при x\rightarrow a. Покажем, что это утверждение имеет место. Приведем к общему знаменателю, получим \frac{Ag(x)-Bf(x)}{Bg(x)}. Рассмотрим предел числителя дроби.
    \\\lim_{x\rightarrow a}(Ag(x)-Bf(x))\\A\lim_{x\rightarrow a}g(x)-B\lim_{x\rightarrow a}f(x)\\AB-BA=0\: \Rightarrow \frac{A}{B}-\frac{f(x)}{g(x)}=0
    Что в свою очередь означает, что \lim_{x\rightarrow a}(\frac{f(x)}{g(x)})=\frac{A}{B}

Свойства пределов, связанные с неравенствами

  1. Теорема о двух милиционерах
  2. Если \exists \delta > 0:\forall x\in \dot{U}_{\delta }(a) выполняются неравенства g(x)\leqslant f(x)\leqslant h(x) и если \lim_{x\rightarrow a}g(x)= \lim_{x\rightarrow a}h(x)=A то \exists \lim_{x\rightarrow a}f(x)=A.
    Доказательство
    Воспользуемся определением предела по Гейне. Пусть \begin{Bmatrix}x_{n}\end{Bmatrix} — последовательность из \dot{U}_{\delta }(a), причем \lim_{x\rightarrow \infty }x_{n}=a. Тогда выполняются условия g(x_{n})\leqslant f(x_{n})\leqslant h(x_{n}) и \lim_{n\rightarrow \infty}g(x_{n})= \lim_{n\rightarrow \infty}h(x_{n})=A. Тогда в силу свойств пределов последовательностей \lim _{n\rightarrow \infty }f(x_{n})=A. Следовательно \lim _{x\rightarrow a }f(x)=A.
    Теорему можно проиллюстрировать следующим графиком:
    t3pol

  3. Если \exists\delta >0:\forall x\in \dot{U}_{\delta }(a) выполняется неравенство f(x)\leqslant g(x) и если\lim_{x\rightarrow  a}f(x)=A, \lim_{x\rightarrow  a}g(x)=B, то A\leqslant B.
  4. Доказательство
    Воспользуемся определением предела по Гейне. Пусть \begin{Bmatrix}x_{n}\end{Bmatrix} — последовательность из \dot{U}_{\delta }(a), тогда числа A и B будут пределами последовательности \begin{Bmatrix}x_{n}\end{Bmatrix}_{1}^{\infty } т.е. \lim_{n\rightarrow \infty }f(x_{n})=A и \lim_{n\rightarrow \infty }g(x_{n})=B Тогда в силу свойств пределов последовательностей A\leqslant B.

Литература

  1. Тер-Киркоров А.М., Шабунин М.И., Курс математического анализа, физмат-лит, 2001. стр. 81-84

Следующая тема →

Применение формулы Тейлора к нахождению границ

Рассмотрим вычисление пределов с помощью формулы Тейлора на примерах:

1)\; \;    \lim\limits_{x\rightarrow 0}\frac{tg x-\frac{x}{1+x^{2}} }{\sin x-sh x}=\begin{bmatrix}  tg x=x+\frac{x^{3}}{3}+\circ (x^{2})\\  -\frac{1}{1+x^{2}}=1-x^{2}+\circ (x^{2})\\  -x\frac{1}{1+x^{2}}=x(1-x^{2}+\circ (x^{2}))=x-x^{3}+\circ (x^{3})\\  tg x-\frac{x}{1+x^{2}}=x+\frac{x^{3}}{3}+\circ (x^{2})-x+x^{3}-\circ (x^{3})=\frac{4}{3}x^{3}+\circ (x^{3})\\    \sin x=x-\frac{x^{3}}{3!}+\circ (x^{4})\\    sh x=x+\frac{x^{3}}{3!}+\circ (x^{4})\\    \sin x-sh x=x-\frac{x^{3}}{3!}-x-\frac{x^{3}}{3!}+\circ (x^{4})=-\frac{1}{3}x^{3}+\circ (x^{4})\\    \end{bmatrix}=\lim\limits_{x\rightarrow 0}\frac{\frac{4}{3}x^{3}+\circ (x^{3})}{-\frac{1}{3}x^{3}+\circ (x^{4})}=-4

2)\; \;    \lim\limits_{x\rightarrow +\infty }x(\sqrt{x^{2}+2x}-2\sqrt{x^{2}+x}+x)=\lim\limits_{x\rightarrow +\infty }x(\sqrt{x^{2}(1+\frac{2}{x})}-2\sqrt{x^{2}(1+\frac{1}{x})}+x)=\begin{bmatrix}  t=\frac{1}{x}\\  t\rightarrow 0\\  \end{bmatrix}=\lim\limits_{t\rightarrow 0}\frac{1}{t^{2}}(\sqrt{1+2t}-2\sqrt{1+t}+1)=\begin{bmatrix}  (1+x)^{\alpha }=1+\frac{\alpha }{1!}x+\frac{\alpha(\alpha-1) }{2!}x^{2}+\circ (x^{2})\\  (1+2t)^{\frac{1}{2}}=1+\frac{\frac{1}{2}}{1!}2t+\frac{\frac{1}{2}(-\frac{1}{2}) }{2!}4t^{2}+\circ (t^{2})\\  (1+t)^{\frac{1}{2}}=1+\frac{\frac{1}{2}}{1!}t+\frac{\frac{1}{2}(-\frac{1}{2}) }{2!}t^{2}+\circ (t^{2})\\    \end{bmatrix}=\lim\limits_{t\rightarrow 0}\frac{1}{t^{2}}(1+t-\frac{1}{2}t^{2}-2-t+\frac{1}{4}t^{2}+\circ (t^{2})+1)=\lim\limits_{t\rightarrow 0}\frac{1}{t^{2}}*(-\frac{1}{4})t^{2}+\circ \frac{(t^{2})}{t^{2}}=\begin{bmatrix}  \circ \frac{(t^{2})}{t^{2}}\rightarrow 0\\  \end{bmatrix}=-\frac{1}{4}

Источники:

  • Лысенко З.М. Конспект лекций по курсу математического анализа. (тема «Вычисление предела с помощью формулы Тейлора»).
  • Ильин В.А., Позняк Э.Г. Основы математического анализа.Выпуск 2, 1982 год. Часть 1. Глава 8, пар. 16, стр 278-281.