11.1 Предел функции

Пусть множество $E\subset\mathbb{R^n}$, $a$ — предельная точка множества $E$ и функция $f : E \mapsto \mathbb{R^m}$.

Определение. Точка $b \in \mathbb{R^m}$ называется пределом функции $f$ в точке $a$ по множеству $E$, если для любого $\varepsilon > 0$ найдется такое $\delta > 0$, что для всех $x \in E$, отличных от точки $a$ и удовлетворяющих условию $0 < |x-a| < \delta$, справедливо неравенство $|f(x) − b| < \varepsilon$. В этом случае пишут
$$b =\lim_{x \to \ a, x \in E} f(x)$$
и говорят, что $f(x)$ стремится к $b$, пробегая множество $E$, или $f(x)$ стремится к $b$ вдоль множества $E$.

Если множество $E$ содержит некоторый шар с центром в точке $a$, за исключением, быть может, самой точки $a$, то просто пишут $b = \lim_{x \to \ a} f(x)$.

Замечание 1. В самой точке $a$ функция $f$ может быть и не определена. Но даже если она и определена в точке $a$, то мы не требуем, чтобы было выполнено равенство $f(a) = b$, поскольку в точке $a$ выполнение неравенства $|f(x) − b| < \varepsilon$ не требуется.

Замечание 2. Пусть $f : E \mapsto \mathbb{R^m}$ и $\lim_{x \to a, x \in E} f(x) = b$. Тогда для любого подмножества $A \subset E$, для которого точка $a$ является предельной, очевидно, $\lim_{x \to a, x \in A} f(x) = b$. Если же по двум различным подмножествам $A_1, A_2 \subset E$, имеющим $a$ предельной точкой, пределы функции $f$ в точке $a$ будут различными, то по множеству $E$ в этой точке предела у функции $f$ нет. Это очевидно.

Пример. Пусть
$$ f(x,y) = \frac{x^2-y^2}{x^2+y^2} \quad ((x,y) \in E \equiv \mathbb{R^2}\backslash\{(0,0)\})$$
$$ A_1 = \{(x,y) \in E : x = y\}, \quad  A_2 = \{(x,y) \in E : x = 0\}.$$
Тогда, очевидно,
$$ \lim_{(x,y) \to (0,0), (x,y) \in A_1} f(x,y) = 0, \quad \lim_{(x,y) \to (0,0), (x,y) \in A_2} f(x,y) = -1.$$

Легко также убедиться в том, что у этой функции существуют пределы вдоль любой прямой, проходящей через начало координат, но эти пределы различные. Поэтому функция $f$ не имеет предела вдоль множества $E$.

Теорема. Пусть функция $f : E \mapsto \mathbb{R^m}$, $E \subset \mathbb{R^n}$, и $a$ — предельная точка множества $E$. Для того чтобы точка $b \in \mathbb{R^m}$ являлась пределом функции $f$ в точке $a$ по множеству $E$, необходимо и достаточно, чтобы для любой сходящейся к $a$ последовательности $\{x_v\}$ точек из $E$ отличных от $a$, было выполнено равенство $\lim_{v \to \infty} f(x_v) = b$.

Необходимость. Пусть $\lim_{x \to a, x \in E} f(x) = b$ и  пусть $x_v \in E$, $x_v \neq a$, $\lim_{v \to \infty} x_v = a$, т. е. зафиксирована некоторая последовательность $\{x_v\}$. Докажем, что $\lim_{v \to \infty} f(x_v) = b$.
Зададим $\varepsilon > 0$. Тогда, по определению предела функции, найдется такое $\delta > 0$, что для всех $x \in E$, удовлетворяющих условию $0 < |x−a| < \delta$, справедливо неравенство $|f(x) − b| < \varepsilon$. Так как $x_v \to a$ и $x_v \neq a$, то найдется такой номер $N$, что при любом $v \ge N$ будет $0 < |x_v − a| < \delta$.
Поэтому для $v \ge N$ выполнено неравенство $|f(x_v) — b| < \varepsilon$. Это означает, что $\lim_{v \to \infty} f(x_v) = b$.
Достаточность. Предположим, что предел функции $f$ в точке $a$ либо не существует, либо существует, но не равен $b$. Тогда найдется такое $\varepsilon_0 > 0$, что для любого $\delta > 0$ найдется точка $x^\prime \in E$, $x^\prime \neq a$, для которой $|x^\prime — a| < \delta $, но $|f(x^\prime) — b| \ge \varepsilon_0$. Полагая $\delta = \frac{1}{v}$, построим последовательность точек $x^\prime_v$, для которых  $0 < |x^\prime_v — a| < \frac{1}{v}$, но $|f(x^\prime_v) — b| \ge \varepsilon_0$. Тогда получим, что $x^\prime_v \to a$, но $f(x^\prime_v)$ не стремится к $b$, а это противоречит условию.

Доказанная теорема позволяет сформулировать равносильное определение предела функции по Гейне.

Определение.Точка $b$ называется пределом функции $f$ в точке $a$, если для любой последовательности $\{x_v\}$ точек из $E$, сходящейся к $a$, $x_v \neq a$, соответствующая последовательность $\{f(x_v)\}$ значений функции сходится к точке $b$.

Теорема (арифметические свойства предела).Пусть функции $f, g : E \mapsto \mathbb{R^m}$, $E \subset \mathbb{R^n}$, $a$ — предельная точка множества $E$ и
$$ \lim_{x \to a, x \in E}f(x) = b, \quad \lim_{x \to a, x \in E}g(x) = c.$$

Тогда

  1. $\lim_{x \to a, x \in E}(f + g)(x) = b + c;$
  2. $\lim_{x \to a, x \in E}(f \cdot g)(x) = b\cdot c;$
  3. если $f, g$ — действительные функции (т.е. $m = 1$ ) и $g(x) \neq 0, c(x) \neq 0$, то $\lim_{x \to a, x \in E}(\frac{f}{g})(x) = \frac{b}{c}$.

Для доказательства достаточно воспользоватся определением предела по Гейне и соответствующей теоремой для последовательностей.

Примеры решения задач

Пример 1.Найти предел неограниченной функции $f(x) = \frac{2x^2 + x — 1}{x — 1}$.

Решение

Пусть $$f(x) = \frac{2x^2 + x — 1}{x — 1}.$$ Множество $X$, на котором определена функция $f(x)$, получается из множества всех действительных чисел $\mathbb{R}$ удалением из него единицы; $X =\mathbb{R}\backslash\{1\}$. Выясним, существует или нет предел функции $f(x)$ в точке $x_0 = 0$. Возьмем какую-либо последовательность  $x_n \in X$, $n = 1, 2,\ldots$,  такую, что $\lim_{n \to \infty} x_n = 0$. Тогда на основании теорем получаем

$$\lim_{n \to \infty} f(x_n) = \lim_{n \to \infty}\frac{2x^2 _n + x_n — 1}{x_n — 1}=$$

$$= \frac{2(\lim_{n \to \infty}x_n)^2 + \lim_{n \to \infty} x_n — 1}{\lim_{n \to \infty}x_n — 1} = 1.$$

Таким образом, существует $\lim_{n \to \infty}f(x_n) = 1$ , а так  как он не зависит от выбора последовательности $x_n \to 0$, $x_n \in X$, $n = 1,2,\ldots$, то существует и предел $\lim_{n \to \infty}f(x) = 1.$

[свернуть]

Пример 2. Найти предел ограниченной, разрывной функции $f(x) = \sin\frac{1}{x}$.

Решение

Рассмотрим функцию  $$f(x) = \sin \frac{1}{x}.$$ Она определена на множестве $X =\mathbb{R}\backslash\{0\}$. Снова выясним, существует или нет у функции $f$ предел в точке $x_0 = 0$. Возьмем две последовательности $$x_n = \frac{1}{\pi n}$$ и $$x_n^\prime = \frac{1}{\frac{\pi}{2} + 2\pi n}, n = 1,2,\ldots.$$
Очевидно, что $\lim_{n \to \infty}x_n = \lim_{n \to \infty}x_n^\prime = 0, x_n \neq 0, x_n^\prime \neq  0$(условие $x \neq 0$ в данном случае означает, что $x \in X$), $f(x_n) = \sin \pi n = 0$, $f(x_n^\prime) = \sin( \frac{\pi}{2} + 2\pi n) = 1$, $n = 1, 2,\ldots .$. Поэтому $\lim_{n \to \infty}f(x_n) = 0$ и $\lim_{n \to \infty}f(x_n^\prime) = 1$, а это означает, что предела функции при $x \to 0$ не существует.

[свернуть]

Пример 3.Найти предел  $f(x) = \frac{x^2 + x + 1}{x^2 -1}$ по Гейне.

Решение

Пусть $$f(x) = \frac{x_n^2 + x + 1}{x^2 — 2}.$$

Найдем предел этой функции при $x \to \infty$. Ее областью определения является множество $X =\mathbb{R}\{\sqrt{2}, -\sqrt{2}\}$. Взяв какую-либо последовательность $x_n \in X$, $n = 1, 2,\ldots,$ $\lim_{n \to \infty} x_n = \infty$, будем иметь
$$\lim_{n \to \infty}f(x_n)=\lim_{n\to\infty}\frac{x_n ^2+x_n+ 1}{x_n^2 — 2}=\lim_{n \to \infty}\frac{1 + \frac{1}{x_n} + \frac{1}{x_n^2}}{1-\frac{2}{x_n^2}}=$$
$$=\frac {1 + \lim_{n\to\infty}\frac{1}{x_n}+\lim_{n\to\infty}\frac{1}{x_n^2}}{1 — 2\lim{n\to\infty}\frac{1}{x_n^2}}=1.$$
Отсюда следует, что $\lim_{n \to \infty}\frac{x^2 + x + 1}{x^2 — 2} = 1$.

[свернуть]

Пример 4. Найти предел всюду разрывной функции Дирихле.

Решение

Пусть $f$- функция Дирихле, то есть функция, равная $1$ на множестве всех рациональных чисел и нулю на множестве $I$ всех иррациональних чисел. Тогда в точке $x_0 = 0$ ее предел по множеству рациональних чисел равен $1$:  $$\lim_{x \to 0, x \in Q}f(x) = 1.$$

а по множеству иррациональних чисел — нулю: $$\lim_{x \to 0, x \in I}f(x) = 0.$$
По всему же множеству действительных чисел(то есть по множеству определения функции Дирихле) предел ее в точке $x_0 = 0$ не существует, так как уже существование или нет предела последовательности$\{f(x_n)\}$ при $n \to \infty$ зависит в данном случае от выбора последовательности $\{x_n\}$, стремящейся к нулю.

[свернуть]

Пример 5. Найти предел устранимо-разрывной функции  $\lim_{x \to 0}\frac{(2x^2 + x — 1)x}{x^2-x}$.

Решение

Найдем
$$\lim_{x \to 0}\frac{(2x^2 + x — 1)x}{x^2-x}.$$ Повторяя рассуждения, аналогичные тем, с помощью которых был вычислен предел в примере $1$, приходим к выражению $\frac{0}{0}$, т. е. к неопределенности, и тем самым не получаем ответа ни на вопрос о существовании предела, ни на вопрос о его значении, если он существует. Поэтому рассмотрим функцию
$$f(x) = \frac{2x^2 + x — 1}{x — 1},$$
получающуюся из функции
$$g(x) = \frac{(2x^2 + x — 1)x}{x^2 — x},$$
стоящей под знаком предела в условии, сокращением правой части равенства на $x$. Функции $f$ и $g$ совпадают в проколотой окрестности $U^{\circ}(0,1) = (-1,1) \backslash \{0\}$ точки $x_0 = 0$ и поэтому, согласно сделанному выше замечанию, одновременно имеют или нет пределы в этой точке по указанной проколотой окрестности, причем в случае существования этих пределов они равны. В примере же $1$ было показано, что $\lim_{x \to 0}f(x) = 1$ по всей области определения функции $f$, следовательно, и по ее подмножеству $U^{\circ}(0,1)$. Таким образом,
$$\lim_{x \to 0}g(x) = \lim_{x \to x_0, x \in U^{\circ}(0,1)}g(x) = \lim_{x \to x_0, x \in U^{\circ}(0,1)}f(x) = \lim_{x \to 0}f(x) = 1$$
(первое равенство справедливо в силу того, что предел является локальным свойством функции). Эти рассуждения являются обоснованием вычислений, которые в обычно употребляемой записи имеют следующий вид:
$$\lim_{x \to 0}\frac{(2x^2 + x — 1)x}{x^2 — 1} = \lim_{x \to 0}\frac{2x^2 + x — 1}{x — 1} = 1.$$

[свернуть]

Пример 6. Найти предел функции $f(x) = |signx|$.

Решение

Рассмотрим функцию $f(x) = |sign x|$. Какова бы ни была окрестность нуля  $U(0)$, у этой функции в точке $x_0 = 0$, очевидно, существует предел по проколотой окрестности $U^{\circ}(0)$:
$$\lim_{x \to 0, x \in U^{\circ}(0)}|sign x| = 1.$$
Вместе с тем предел $\lim_{x \to 0, x \in U(0)}|sign x|$ по всей окрестности $U(o)$ в точке $x_0 = 0$ у функции $|sign x|$ не существует, так как, например, для последовательности
$$x_n = \begin{cases} \frac{1}{n}, &\text{если n  = 2k, k = 1,2,…}\\ 0, &\text{если n  = 2k — 1, k = 1,2,…} \end{cases}$$
имеем $\lim_{n \to \infty}x_n = 0$ (и, следовательно, все ее члены начиная с некоторого будут лежать в заданной окрестности $U(0)$, а последовательность $|sign x_n|$ не имеет предела(на четных местах у нее стоят единицы, а на нечетных — нули).

[свернуть]

Литература:

  1. Коляда В.И., Кореновский А. А. Курс лекций по математическому анализу.- Одесса : Астропринт , 2009. с. 251-253.
  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. — 703 с. — с.70-72
  3. Лысенко З.М. Конспект лекций по математическому анализу.

Тест. Пределы функций.

Этот тест проверить ваши знания по теме «Пределы функций».

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.

Определение предела функции по Коши и по Гейне, их эквивалентность

Определение предела функции по Коши

Пусть функция f(x) определена в проколотой окрестности 0(x^{0}) точки x^{0} метрического пространства X . Говорят, что число A есть предел функции f(x) при x \to x_{0} , если \forall \varepsilon > 0 \exists \delta > 0 такое, что для \forall x \in O(x^{0}) , удовлетворяющего условию \rho(x, x^{0}) < \delta ,  выполнено неравенство \left | f(x) - A \right | < \varepsilon .

Определение предела функции по Гейне

Говорят, что функция f(x) , определенная в 0(x^{0}) , имеет при x \to x_{0} предел A , если для любой последовательности x^{k} \in 0(x^{0}) такой, что lim_{k \to \infty}x^{k} = x^{0} , выполнено равенство lim_{k \to \infty}f(x^{k}) = A .

Эквивалентность двух определений предела доказывается так же, как и для функций одной переменной.

Пример

Докажем, что lim_{x \to 0 , y \to 0}(x^{2}+y^{2})^{a}=0 , если a>0 . Возьмем любое \varepsilon > 0 . Положим \delta= \varepsilon^{\frac{1}{2a}} . Пусть (x,y) \in S_{\delta}(0,0) , тогда (x^{2}+y^{2})^{a}<\delta^{2a}<\varepsilon , т.е. lim_{x \to 0 , y \to 0}(x^{2}+y^{2})^{a}=0 .

Определение предела функции по Коши и по Гейне.

Литература:

 

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 →

Пределы монотонных функций

Перед тем как рассматривать теорему, давайте вспомним, что такое монотонная функция и нарисуем  её график.

Функция f(x) называется монотонно возрастающей на отрезке [a;b], если \forall x_{1}, x_{2}\in[a;b],x_{1}> x_{2}\Rightarrow f(x_{1})\geq f(x_{2})

Функция f(x) называется монотонно убывающей на отрезке [a;b], если \forall x_{1}, x_{2}\in [a;b] ,x_{1}>  x_{2}\Rightarrow f(x_{1})\leq f(x_{2})

Функция f(x) называется строго монотонно убывающей на отрезке [a;b], если \forall x_{1}, x_{2}\in [a;b],x_{1}>x_{2}\Rightarrow f(x_{1})<f(x_{2})

Функция f(x) называется строго монотонно возрастающей на отрезке [a;b], если \forall x_{1},x_{2}\in[a;b], x_{1}>x_{2}\Rightarrow f(x_{1})>f(x_{2})

Пример графика монотонно возрастающей функции.

grafik1

 

На графике видно, что \forall x_{1}, x_{2} : x_{1}>x_{2}, соответствующие значения функции f(x_{1})\geq f(x_{2})

Пример графика монотонно убывающей функции.

grafik2

На графике видно, что \forall x_{1},x_{2} : x_{1}>x_{2}, соответствующие значения функции f(x_{1})\leq f(x_{2})

Теорема о существовании односторонних пределов у монотонных функций

Формулировка:

Если функция f(x) определена и монотонна на отрезке [a;b], то в каждой точке x_{0}\in (a;b) эта функция имеет конечные пределы слева и справа, а в точках a и b правосторонний и левосторонний пределы.

Доказательство:

Пусть, например, функция f(x) монотонно возрастает на [a;b]. Выберем произвольную внутреннюю точку x_{0}\in (a;b]. Тогда \forall x\in [a;x_{0})\Rightarrow f(x)\leq f(x_{0})\Rightarrow f(x) ограничена сверху на [a;x_{0})\Rightarrow\exists\sup f(x)=M\leqslant f(x_{0}).
Согласно определению:
а) \forall x\in [a;x_{0})\Rightarrow f(x) \leqslant M
б) \forall \varepsilon > 0\exists x_{\varepsilon }:M-\varepsilon < f(x_{\varepsilon }), обозначим \delta =x_{0}-x_{\varepsilon }>0.
Если x\in (x_{\varepsilon };x_{0})=(x_{0-\delta };x_{0}), то f(x_{\varepsilon })\leq f(x).
Итог: \forall \varepsilon >0\exists \delta>0:\forall x\in (x_{0}-\delta;x_{0}):M-\varepsilon < f(x_{\varepsilon }) < f(x)\leq M<   M+\varepsilon \Leftrightarrow |f(x)-M|< \varepsilon
\lim_{x\rightarrow x_{0-0} } f(x) = M
Итак f(x_{0}-0)= \sup f(x), a\leqslant x<x_{0} .
Аналогично доказываем, что функция имеет в точке x_{0}\in [a;b) предел справа причем f(x_{0}+0)=\inf f(x), x_{0}<x\leqslant b.
Следствие. Если функция f определена и монотонна на интервале (a;b), \forall\ x_{0}\in (a;b)\exists \ предел справа и слева, причем если f возрастает, то
f(x_{0}-0)=\lim\limits_{x\to x_{0}-0} f(x)  \leq\lim\limits_{x\to x_{0}+0} f(x)=f(x_{0}+0),
если убывает, то
f(x_{0}-0)=\lim\limits_{x\to x_{0}-0} f(x)  \geq\lim\limits_{x\to x_{0}+0} f(x)=f(x_{0}+0).

Литература

Тест

Тест по теме Пределы монотонных функций.

Желаем удачи!

Таблица лучших: Предел монотонной функции

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