Loading [MathJax]/jax/element/mml/optable/GreekAndCoptic.js

7.6 Теоремы о среднем

Теорема 1 (первая теорема о среднем значении). Пусть функции f и g интегрируемы на [a,b]. Причем функция g не меняет знак на [a,b]. Пусть m=infx[a,b]f(x),M=supx[a,b]f(x). Тогда найдется такое число μ[m,M], что baf(x)g(x)dx=μbag(x)dx.

Геометрический смысл первой теоремы о среднем

Можем считать, что a<b, т. к. если поменять местами a и b, то знаки обеих частей равенства поменяются на противоположные. Пусть g(x)0. Неравенство mf(x)M умножим на g(x) и проинтегрируем от a до b. В силу монотонности и линейности интеграла получим mbag(x)dxbaf(x)g(x)dxMbag(x)dx. Если bag(x)dx=0, то из этого неравенства видно, что утверждение теоремы справедливо при любом μ. Если же bag(x)dx>0, то положим μ=baf(x)g(x)dxbag(x)dx. Тогда из полученного выше неравенства следует, что mμM, и теорема доказана.

Случай g(x)0 рассматривается аналогично.

Следствие. Если в условиях теоремы 1 функция f непрерывна на [a,b], то найдется такая точка ξ[a,b], что baf(x)g(x)dx=f(ξ)bag(x)dx. Действительно, в этом случае, по теореме Больцано — Коши о промежуточном значении, число μ является значением функции f в некоторой точке ξ[a,b].

Лемма. Пусть функция g интегрируема на отрезке [a,b]. Тогда функция G(x)xag(t)dt(axb) равномерно непрерывна на [a,b].

Пусть x,x[a,b],x<x. Тогда G(x)G(x)=xag(t)dtxag(t)dt= =xag(t)dt+xxg(t)dtxag(t)dt=xxg(t)dt. Поскольку g интегрируема, то она ограничена, т. е. существует такое M, что |g(t)|M для всех t[a,b]. Поэтому получаем |G(x)G(x)|xx|g(t)|dtM(xx). Отсюда следует, что функция G равномерно непрерывна на [a,b].

Теорема 2 (вторая теорeма о среднем значении). Пусть функции f и g интегрируемы на [a,b], причем функция f монотонна на [a,b]. Тогда существует точка ξ[a,b], такая, чтоbaf(x)g(x)dx=f(a)ξag(x)dx+f(b)bξg(x)dx.(7.3)

Геометрический смысл второй теоремы о среднем

Сначала предположим, что f убывает на [a,b] и неотрицательна. Возьмем произвольное разбиение a=x0<x1<<xn=b отрезка [a,b]. Тогда, по свойству аддитивности интеграла, Ibaf(x)g(x)dx=n1i=0xi+1xif(x)g(x)dx= =n1i=0f(xi)xi+1xig(x)dx+ +n1i=0xi+1xi[f(x)f(xi)]g(x)dxI+ρ. Для оценки суммы ρ воспользуемся тем, что интегрируемая функция g ограничена, т.е. существует такое M, что |g(x)|M,x[a,b]. Тогда получим |ρ|n1i=0xi+1xi|f(x)f(xi)||g(x)|dxMn1i=0ωiΔxi, где ωiколебания функции f на [xi,xi+1]. Правая часть стремится к нулю при стремлении к нулю диаметра разбиения в силу критерия интегрируемости Римана. Следовательно, сумма I стремится к интегралу I. Оценим I. Для этого обозначим G(x)=xag(t)dt. Получим I=n1i=0f(xi)[G(xi+1)G(xi)]=n1i=0f(xi)G(xi+1) n1i=0f(xi)G(xi)=ni=1f(xi1)G(xi)n1i=1f(xi)G(xi)= =f(xn1)G(xn)+n1i=1[f(xi1)f(xi)]G(xi). Мы воспользовались равенством G(x0)=G(a)=0.

Обозначим через L и U соответственно нижнюю и верхнюю грани функции G на [a,b]. Поскольку, в силу леммы, функция G непрерывна на [a,b], то они существуют в силу первой теоремы Вейерштрасса. Учитывая также, что функция f, по предположению, неотрицательна и монотонно убывающая, т.е. f(xi1f(xi)0, получаем следующее неравенство: L[f(xn1)+n1i=1[f(xi1)f(xi)]] IU[f(xn1)+n1i=1[f(xi1)f(xi)]]. При этом мы использовали неравенство LG(xi)U. Поскольку, как легко видеть, сумма в квадратных скобках равна f(x0)=f(a), то полученное неравенство принимает вид Lf(a)IUf(a). Но поскольку II при d(Π)0, то отсюда получаем Lf(a)IUf(a). Разделив это неравенство на f(a)>0, получим LIf(a)U. Но поскольку функция G непрерывна на [a,b] в силу леммы, то найдется точка ξ[a,b], такая, что G(ξ)=If(a). Отсюда следует, что I=f(a)G(ξ), а учитывая определение функции G, получаем равенство baf(x)g(x)dx=f(a)ξag(x)dx(ξ[a,b]).(7.4)

Итак, равенство (7.4) доказано нами в предположении, что функция f убывает и неотрицательна. Рассмотрим теперь случай, когда f убывает на [a,b]. Положим ¯f(x)=f(x)f(b). Тогда ¯f убывает и неотрицательна. По доказанному, найдется точка ¯ξ, такая, что ba¯f(x)g(x)dx=¯f(a)¯ξag(x)dx(¯ξ[a,b]). Учитывая, что ¯f(x)=f(x)f(b), отсюда получаем ba[f(x)f(b)]g(x)dx=[f(a)f(b)]¯ξag(x)dx, или, тоже самое, baf(x)g(x)dx=f(a)¯ξag(x)dx+f(b)bag(x)dx f(b)¯ξag(x)dx=f(a)¯ξag(x)dx+f(b)b¯ξg(x)dx. Этим доказано равенство (7.3).

В случае когда функция f возрастает и неотрицательна на [a,b], аналогично тому, как было доказано равенство (7.4), можно показать что существует такая точка ξ, что baf(x)g(x)dx=f(b)bξg(x)dx.(7.5) Далее, из (7.5) легко можно получить (7.3) точно так же, как и (7.3) было получено из (7.4).

Замечание.

Формулы (7.3)(7.5) называются формулами Бонне. В этих равенствах точки ξ, вообще говоря, разные. В самом деле, мы можем изменить функцию f в точках a и b, сохранив при этом монотонность функции f. При этом левая часть (7.3) не изменится, а изменение множителей f(a) и f(b) перед интегралами справа в (7.3), очевидно, повлечет изменение значения ξ справа в (7.3).

Вторую теорему о среднем иногда записывают в следующем виде: baf(x)g(x)dx=f(a+0)ξag(x)dx+f(b0)bξg(x)dx. В этом равенстве точка ξ, вообще говоря, не совпадает со значением ξ в равенстве (7.3).

Примеры применения теорем о среднем

1.Найти limn10xn1+xdx.

Оценим 010xn1+xdx10xndx=1n+1. Отсюда получаем limn10xn1+xdx=0.

2.Найти limnΠ20sinnxdx.

Зафиксируем ξ>0. Тогда получим Π20sinnxdx=Π2ξ20sinnxdx+Π2Π2ξ2sinnxdx (sin(Π2ξ2))nΠ2+ξ2. Поскольку sin(Π2ξ2)<1, то первое слагаемое справа стермится к нулю при n. Поэтому найдется такое N, что для всех nN справедливо неравенство (sin(Π2ξ2))nΠ2<ξ2. Итак, для заданного ξ>0 мы нашли номер N, начиная с которого Π20sinnxdx<ξ. Это означает, что limnΠ20sinnxdx=0.

3. Оценить сверху I10sinx1+x2dx.

Первый способ. Применяя первую теорему о среднем, получаем I=11+ξ210sinxdx=11+ξ2(cosx)|10= =11+ξ2(1cos1)1cos1.

Второй способ. В силу первой теоремы о среднем имеем I=sinη10dx1+x2=sinηarctgx|10=Π4sinηΠ4sin1.

4. Оценить интеграл IBAsinxxdx,0<A<B<+.

Первый способ. Применим вторую теорему о среднем. Для этого обозначим f(x)=1x и g(x)=sinx. Функция f монотонна на [A,B], так что во второй формуле Бонне получаем I=1AξAsinxdx=1A(cosx)|ξA=1A(cosAcosξ). Отсюда следует, что |I|2A.

Второй способ. Применяя первую теорему о среднем, получим I=sinξBAdxx=sinξlnBA. Отсюда следует, что |I|lnBA.

5. Показать, что если fR[a,b], где R — класс интегрируемых на отрезке, m=inf[a,b]f(x), M=sup[a,b]f(x), то при условии непрерывности f на [a,b] найдется точка ξ[a,b], такая что baf(x)dx=f(ξ)(ba).

Решение

Воспользуемся первой теоремой о среднем, тогда можем представить baf(x)dx=baf(x)g(x)dx, где g(x)=1, Тогда baf(x)g(x)dx=f(ξ)ba1dx=f(ξ)(ba),

6. Найти среднее значение функции y=x25x+7 на отрезке [2,13].

Решение

Воспользуемся выше упомянутой формулой и подставим в нее известные значения: f(ξ)=132(x25x+7)dx132=111132(x25x+7)dx= Вычислим интеграл: =111(x335x22+7x)|132= Используем формулу Ньютона — Лейбница и найдем значение полученного выражения: =111(133351322+713(2335222+72))= Упростим выражение и вычислим его результат: =111(219738452+9183+1014)= =111(218938452+87)=11143782535+5226=236566 Получили среднее значение функции y=x25x+7 на отрезке [2,13] равным 236566.

Смотрите также

Теоремы о среднем

Пройдите этот тест чтобы проверить свои знания по теме «теоремы о среднем».

4.1 Непрерывные функции. Определение и примеры

Определение. Пусть функция f определена на интервале (a,b) и точка x0(a,b). Говорят, что функция f непрерывна в точке x0, если limxx0f(x)=f(x0).

Замечание. В отличие от определения предела функции f в точке x0, здесь мы требуем, чтобы функция f была определена не только в проколотой окрестности точки x0, а в целой окрестности точки x0. Кроме того, limxx0f(x) не просто существует, а равен определенному значению, а именно, f(x0).

Используя определение предела функции в смысле Коши, определение непрерывности функции f в точке x0 в кванторах можно записать следующим образом: ε>0δ=δ(ε)>0:x(a,b):|xx0|<δ|f(x)f(x0)|<ε.

В этом определении можно не требовать выполнения условия |xx0|>0, т. к. при |xx0|=0 неравенство |f(x)f(x0)|<ε, очевидно, выполнено.

Так как величина limxx0f(x) зависит лишь от тех значений, которые функция f принимает в сколь угодно малой окрестности точки x0, то непрерывность – это локальное свойство функции.

В терминах окрестностей определение непрерывности выглядит следующим образом.

Определение. Функция f называется непрерывной в точке x0, если для любой окрестности V точки f(x0) найдется такая окрестность U точки x0, что для всех xU значение f(x)V, т. е. f(U(a,b))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 x0(a,b), если любая последовательность аргументов {xn} (xn(a,b),xnx0) порождает последовательность значений функции {f(xn)}, стремящуюся к f(x0).

Применяя понятие, одностороннего предела (т. е. предела слева и справа) в точке x0, можно дать определения непрерывности слева (справа) в точке x0. Именно, функция f называется непрерывной слева (справа) в точке x0, если limxx00f(x)=f(x0) (limxx0+0f(x)=f(x0)). При этом в определении непрерывности слева достаточно считать, что функция f определена лишь в левой полуокрестности точки x0, т. е. на (a,x0], а для
непрерывности справа – на [x0,b).

Легко видеть, что справедливо следующее

Утверждение. Для того чтобы функция f была непрерывной в точке x0, необходимо и достаточно, чтобы f была непрерывной слева и справа в точке x0.

Определение. Функция f, определенная на интервале (a,b), называется разрывной в точке x0(a,b), если f не является непрерывной в этой точке.

Итак, функция f является разрывной в точке x0, если выполнено одно из двух следующих условий.

  1. Либо не существует limxx0f(x).
  2. Либо предел limxx0f(x) существует, но он не равен f(x0).

Пример 1. f(x)C=Const. Эта функция непрерывна в каждой точке x0R, т. к. для любого xR |f(x)f(x0)|=0.

Пример 2. f(x)=x2, <x<+, x0R. Зададим ε>0. Тогда из неравенства |x2x02|(|x|+|x0|)|xx0| следует, что при |xx0|<δ=min(1,ε2|x0|+1) справедливо неравенство |x2x02|<ε, т. е. limxx0x2=x02, а значит, функция f(x)=x2 непрерывна в любой точке x0R.

Пример 3. f(x)=x, 0x+ Если x0(0,+), то |xx0|=|xx0|x+x01x0|xx0|<ε если только |xx0|<δx0ε. Таким образом, функция f(x)=x непрерывна в каждой точке x0>0. В точке x0=0 можно ставить вопрос о непрерывности справа. Имеем |x0|=x<ε, если только 0x<δε2. Итак, limx0+x=0=0, т. е. функция f(x)=x непрерывна справа в точке 0.

Пример 4. f(x)=sinx, <x<+. Пусть x0R. Тогда |sinxsinx0|=|2cosx+x02sinxx02|2|sinxx02||xx0|, где последнее неравенство в этой цепочке следует из доказанного выше неравенства |sint||t| (0<|t|<π2). Можем считать, что |xx0|<π. Тогда при |xx0|<δmin(π,ε) справедливо |sinxsinx0|<ε, т. е. функция f(x)=sinx непрерывна в каждой точке x0R. Аналогично доказываем, что функция f(x)=cosx непрерывна в каждой точке x0R.

Пример 5. f(x)=xsin1x при x0 и f(0)=0. Покажем, что функция f непрерывна в точке x0=0. Имеем f(0)=0 и limx0f(x)=limx0xsin1x=0 (т. к. |f(x)0|=|xsin1x||x|<ε, если только |x0|=|x|<δε). Итак, limxx0f(x)=f(0), так что f непрерывна в точке 0.

Пример 6. f(x)=signx, xR. Если x00, то функция f постоянна в некоторой окрестности точки x0 и, следовательно, непрерывна в этой точке. Если же x0=0, то не существует предела функции f при x0. Значит, функция f разрывна в точке 0. Более того,limx0+signx=1, limxx0f(x)signx=1, sign0=0, так что функция signx разрывна в точке 0 как слева, так и справа.

Пример 7. Рассмотрим функцию Дирихле D(x)={1,если xQ;0,если xRQ. Пусть x0R. Покажем, что не существует предела функции D при xx0. Для этого выберем последовательность {x} отличных от x0 рациональных чисел, стремящуюся к x0. Тогда D(xn)=1 и, значит, limn+D(xn)=1. Если же взять последовательность xn отличных от x0 иррациональных чисел, стремящуюся к x0, то получим, что D(xn)=0 и limn+D(xn)=0. В силу определения предела функции по Гейне получаем, что функция D не имеет предела в точке x0. Так как x0R – произвольная точка, то это означает, что функция Дирихле разрывна в каждой точке.

Пример 8. f(x)=xD(x), xR. Функция f разрывна в каждой точке x00. В самом деле, если {xn} и {xn} соответственно последовательности рациональных и иррациональных отличных от x0 чисел, стремящиеся к x0, то limnf(xn)=x0 и limnf(xn)=0, так что, в силу определения предела функции по Гейне, функция f не имеет предела в точке x0. Если же x0=0, то limn0f(x)=0=f(0). Действительно, |f(x)|=|xD(x)||x|<ε, если только |x0|=|x|<δε. Это означает, что данная функция непрерывна в единственной точке x0=0.

Пример 9. Дана функция f(x)={sinxx,если x0;1,если x=0. Проверить на непрерывность в точке x0=0.

Решение

limxx00sinxx=limx0+0sinxx=1=f(x0) Отсюда следует, что f(x) непрерывна в точке x0, т. к. для того чтобы функция f была непрерывной в точке x0, необходимо и достаточно, чтобы f была непрерывной слева и справа в точке x0.

Пример 10. Покажите, что функция f(x)=x+3x2 разрывна в точке x0=2.

Решение

Для этого достаточно показать, что предел данной функции при xx0 либо не равен значению функции в точке x0, либо не существует. limx20x+3x2= limx2+0x+3x2=+ Т. к. левосторонний и правосторонний пределы f(x) не совпадают, то предела функция в точке x0 не имеет, следовательно она разрывна в этой точке.

Литература

Непрерывные функции. Определение и примеры

Тест по теме: «Непрерывные функции. Определение и примеры.»


Таблица лучших: Непрерывные функции. Определение и примеры

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

17.2 Вычисление радиуса сходимости степенного ряда

Теорема. Пусть дан степенной ряд n=0anxn Если существует limnn|an|p>0, то радиус сходимости ряда (1) равен R=1p. Если для любого n числа an0 и существует limn|an+1an|p>0, то R=1p=limn|anan+1|.

Для доказательства первого утверждения применим признак Коши. Для фиксированного x имеем n|anxn|=nan|x|p|x|(n).Если |x|<1p, то ρ\left|x\right|\lt 1 и, по признаку Коши, ряд \eqref{eq:1} сходится абсолютно. Если \left|x\right|\gt\frac{1}{p}, то p\left|x\right|\gt 1 и, следовательно, ряд \eqref{eq:1} расходится, т. к. не выполнено необходимое условие сходимости.
Доказательство второго утверждения теоремы легко можно провести аналогично, используя признак Даламбера (проведите самостоятельно). Мы покажем, что из существования предела ρ^∗ следует существование предела ρ и их равенство ρ = ρ^∗. Ясно, что отсюда также будет следовать второе утверждение теоремы.
Зададим \epsilon \gt 0 и найдем такой номер N, что для всех n \geq N справедливо неравенство \left|\left|\frac{a_{n+1}}{a_n}\right|-p^*\right|\lt\epsilon. Тогда p^*-\epsilon\lt\left|\frac{a_{n+1}}{a_n}\right|\lt p^*+\epsilon т. е.
\left|a_n\right|\left(ρ^∗−\epsilon\right)\lt\left|a_{n+1}\right|\lt\left|a_n\right|\left(ρ^∗+\epsilon\right). Применяя рекуррентно левое неравенство, получаем \left|a_{N+1}\right|\gt\left(ρ^∗−\epsilon\right)\left|a_N\right|, \left|a_{N+2}\right|\gt\left(ρ^∗\epsilon\right)^2\left|a_N\right|,\dotsi,\left|a_{N+k}\right|\gt\left(ρ^∗-\epsilon\right)^k\left|a_N\right|,\dotsi, а из правого неравенства следует, что \left|a_{N+k}\right|\lt\left(ρ^∗+\epsilon\right)^k\left|a_N\right| \left(k = 1, 2,\dotsi\right).
Пусть n\gt N, т. е. n = N+k, где k\in N. Тогда \sqrt[n]{\left|a_n\right|}\lt\left(ρ^∗+\epsilon\right)^{\frac{n−N}{n}}\left|a_N\right|^{\frac{1}{n}} = (ρ^∗+\epsilon)^{1-\frac{N}{n}}\sqrt[n]{\left|a_N\right|}. При фиксированном N выражение справа стремится к ρ^∗+\epsilon при n\to\infty. Поэтому при n\geq N_1 оно меньше, чем ρ^∗+2\epsilon. Аналогично можно показать, что при n\geq N_2 справедливо неравенство \sqrt[n]{\left|a_n\right|}\gt ρ^∗−2\epsilon. Получим, что при n\geq N_3 \equiv max \left(N_1, N_2\right) имеет место неравенство ρ^∗−2\epsilon\lt\sqrt[n]{\left|a_n\right|}\lt ρ^∗+2\epsilon, а это означает, что существует ρ\equiv \lim\limits_{n\to\infty}\sqrt[n]{\left|a_n\right|} = ρ^∗.

Замечание 1. Если в условии теоремы считать, что \frac{1}{0} = +\infty и \frac{1}{+\infty} = 0, то теорема остается справедливой и в случаях ρ = 0 и ρ = +\infty. При этом необходимые изменения в доказательстве очевидны (проведите самостоятельно).

Замечание 2. Во второй части доказательства нашей теоремы мы,
по существу, доказали, что из существования \lim\limits_{n\to\infty}\frac{a_{n+1}}{a_n}\left(a_n\gt 0\right) следует, что существует и \lim\limits_{n\to\infty}\sqrt[n]{a_n}, и эти пределы равны. Для рядов с
положительными слагаемыми это означает, что признак Коши не слабее
признака Даламбера.

Итак, мы можем находить радиус сходимости R = \frac{1}{ρ} степенного ряда \eqref{eq:1} в случае если существует ρ = \lim\limits_{n\to\infty}\sqrt[n]{\left|a_n\right|}, где 0\leq ρ\leq +\infty. Но предел ρ может и не существовать. В общем случае радиус сходимости ряда \eqref{eq:1} находится следующим образом.

Теорема Коши – Адамара. Пусть дан степенной ряд \begin{equation}\sum\limits_{n=0}^\infty a_nx^n.\label{eq:2} \end{equation} Тогда его радиус сходимости равен R =\dfrac{1}{\overline{\lim\limits_{n\to\infty}}\sqrt[n]{\left|a_n\right|}}, где понимается \frac{1}{0} = +\infty и \frac{1}{+\infty} = 0.

Доказательство этой теоремы основано на применении обобщенного признака Коши сходимости рядов с положительными слагаемыми.

Теорема (обобщенный признак Коши). Пусть дан числовой ряд \begin{equation}\sum\limits_{n=0}^\infty u_n,\label{eq:3} \end{equation} где числа u_n \geq 0. Если \overline{\lim\limits_{n\to\infty}}\sqrt[n]{u_n}\lt 1, то ряд \eqref{eq:3} сходится, а если \overline{\lim\limits_{n\to\infty}}\sqrt[n]{u_n}\gt 1, то ряд \eqref{eq:3} расходится.

Если \overline{\lim\limits_{n\to\infty}}\sqrt[n]{u_n}\gt 1, то существует подпоследовательность номеров n_k, таких, что u_{n_k}\geq 1, а значит, u_n не стремится к нулю, и следовательно, ряд \eqref{eq:3} расходится, т. к. не выполнено необходимое условие сходимости. Если же \overline{\lim\limits_{n\to\infty}}\sqrt[n]{u_n}\equiv q\lt 1, то для 0\lt\epsilon\lt 1−q найдется такой номер N, что для всех n\geq N справедливо неравенство \sqrt[n]{u_n}\lt q+\epsilon\lt 1. Отсюда следует, что u_n\lt\left(q+\epsilon\right)n при n \geq N и, значит, ряд \eqref{eq:3} сходится в силу признака сравнения.

(Теоремы Коши – Адамара). Имеем \overline{\lim\limits_{n\to\infty}}\sqrt[n]{\left|a_nx^n\right|} = \overline{\lim\limits_{n\to\infty}}\sqrt[n]{\left|a_n\right|}\cdot\left|x\right|. Если \left|x\right|\gt\frac{1}{\lim\limits_{n\to\infty}\sqrt[n]{\left|a_n\right|}},
то для ряда \sum\limits_{n=0}^\infty\left|a_nx^n\right| не выполнено необходимое условие сходимости.
Следовательно, необходимое условие сходимости не выполнено и для ряда
\eqref{eq:2}, т. е. он расходится.

Примеры:

Пример 1. Рассмотрим ряд \sum\limits_{n=0}^\infty nx^n. Здесь a_n = n, \lim\limits_{n\to\infty}\sqrt[n]{a_n} = \lim\limits_{n\to\infty}\sqrt[n]{n} = 1, т. е. R = \dfrac{1} {\lim\limits_{n\to\infty}\sqrt[n]{a_n}} = 1. В точках x = R = 1 и x = −R = −1 ряд расходится. Область его сходимости
– интервал\left(−1, 1\right).
Пример 2. Для ряда \sum\limits_{n=0}^\infty\left[3 + (−1)n\right]^nx_n
имеем a_n = [3 + (−1)n]^n, \overline\lim\limits_{n\to\infty}\sqrt[n]{a_n} = \overline\lim\limits_{n\to\infty}\left[3 + (−1)n\right] = 4, R = \frac{1}{4}. Данный ряд сходится при \left|x\right|\lt\frac{1}{4}. Если x = \pm\frac{1}{4}, то \left|a_{2k}x^{2k}\right|= 4^{2k}\frac{1}{4^{2k}} = 1, т. е. слагаемые с четными номерами равны 1 и
предел слагаемых ряда не равен нулю. Окончательно, область сходимости
ряда – интервал \left(−\frac{1}{4}, \frac{1}{4}\right).
Пример 3. Для ряда \sum\limits_{n=0}^\infty\frac{\left(n!\right)^2}{\left(2n!\right)}x^n имеем a_n = \frac{\left(n!\right)^2}{\left(2n!\right)},\lim\limits_{n\to\infty}\dfrac{\frac{\left(\left(n+1\right)!\right)^2}{\left(2\left(n+1\right)\right)!}}{\frac{\left(n!\right)^2}{\left(2n\right)!}} = \lim\limits_{n\to\infty}\frac{\left(\left(n+1\right)!\right)^2\left(2n\right)!}{\left(2n+2\right)!\left(n!\right)^2} = \lim\limits_{n\to\infty}\frac{\left(n+1\right)^2}{\left(2n+1\right)\left(2n+2\right)} = \frac{1}{4}, R = 4. Данный ряд сходится при \left|x\right|\lt 4.
При x = 4 получаем числовой ряд \sum\limits_{n=1}^\infty a_n, где a_n = \frac{\left(n!\right)^24^n}{\left(2n\right)!}. Поскольку \frac{a_n}{a_{n+1}} = 1-\frac{1}{2n}+\frac{1}{2n\left(n+1\right)}, то a_n\lt a_{n+1}. Это означает, что последовательность \left(a_n\right) монотонно возрастает. Следовательно не выполняется необходимое условие для сходимости ряда (предел общего члена отличен от нуля), ряд расходится. Аналогично для x = -4. Окончательно, область сходимости
ряда – интервал \left(−4, 4\right).
Пример 4. Рассмотрим ряд \sum\limits_{n=0}^\infty \left(1+\frac{1}{n}\right)^{n^2}x^n. \frac{1}{R} = \lim\limits_{n\to\infty}\left(1+\frac{1}{n}\right)^{n^2} = e^2. Следовательно при \left|x\right|\lt \frac{1}{e^2} сходится абсолютно. В точках x = R = \frac{1}{e^2} и x = −R = −\frac{1}{e^2} ряд расходится. Область его сходимости
– интервал\left(−\frac{1}{e^2}, \frac{1}{e^2}\right).

Тест по теме: "Радиус сходимости числового ряда"

Небольшой тест по теории и практике.

Литература

  1. Б. П. Демидович Сборник задач по математическому анализу 13-е издание, исправленное Издательство Московского университета Издательство ЧеРо 1997 отдел V ряды (ст. 284)
  2. В. И. Коляда, А. А. Кореновский «Курс лекций по математическому анализу». — Одесса: Астропринт, 2010, ч.2. раздел 17 «Вычисление радиуса сходимости степенного ряда». (ст. 56 — 60)
  3. Кудрявцев Л. Д. курс математического анализа : учебник для вузов: В 3 т. Т. 2. Радиус сходимости и круг сходимости степенного ряда / Л. Д. Кудрявцев. — 5-е изд., перераб. и доп. — Москва: Дорфа, 2003. — 720 с. (ст. 107 — 108).

9.2.1 Открытые множества

Определение. Открытым шаром с центром в точке x_0 и радиусом \rho >0 называется множество всех точек x\in \mathbb{R}^n, таких, что |x-x_0|<\rho. Этот шар обозначается B(x_0,\rho) и называется также \rho-окрестностью точки x_0.

Определение. Пусть задано множество E \subset \mathbb{R}^n. Точка x_0 \in E называется внутренней точкой множества E, если существует шар B(x_0,\rho), содержащийся в E. Другими словами, точка x_0 называется внутренней точкой множества E, если она входит во множество E вместе с некоторой окрестностью.

Определение. Множество E называется открытым, если все его точки являются внутренними точками этого множества. Условимся также считать пустое множество \emptyset открытым.

Пример 1. Каждый открытый шар B(x_0,r) является открытым множеством.

Действительно, пусть x \in B(x_0,r). Нужно доказать, что существует такая окрестность точки x, которая целиком содержится в шаре B(x_0,r). Положим \rho = r-|x-x_0|. Тогда \rho > 0, так как |x-x_0|<r. Покажем, что B(x,\rho) \subset B(x_0,r). Пусть y \in B(x,Ѕ). Тогда |y-x|<\rho. Оценим расстояние между точками y и x_0. По неравенству треугольника имеем |y-x_0|\leqslant|y-x|+|x-x_0|<\rho + |x-x_0|=r что и требовалось доказать.

В частности, при n = 1 открытые шары — это интервалы на действительной прямой, и они являются открытыми множествами на прямой.

Пример 2. Рассмотрим открытые n-мерные интервалы. Для двух заданных векторов a,b \in \mathbb{R}^n, таких, что a^i < b^i (i=1,…,n), открытым интервалом называется множество всех точек x, координаты которых удовлетворяют условиям a^i < x^i < b^i (i=1,…,n). Такой интервал обозначается через (a^1,b^1,…,a^n,b^n).

В частности, в \mathbb{R}^2 открытые интервалы — это прямоугольники со сторонами, параллельными координатным осям, а в \mathbb{R}^3 — параллелепипеды, ребра которых параллельны координатным осям.

Докажем, что любой открытый интервал в \mathbb{R}^n является открытым множеством.

Пусть J — открытый интервал и пусть x \in J, т. е. a^i < x^i < b^i (i=1,…,n). Обозначим через \delta^i = min(x^i — a^i,b^i-x^i)(i=1,…,n) и \delta=min(\delta^1,…,\delta^n). Покажем, что шар B(x,\delta) содержится в J. Действительно, если y \in B(x,\delta), то |y-x|<\delta. Отсюда следует, что |x^i-y^i|<\delta для всех i=1,…,n. Пользуясь определением числа \delta, видим, что a^i < y^i < b^i для всех i=1,…,n, так что y \in J, что и требовалось доказать.

Пример 3. Множество S всех точек на действительной прямой — открытое.

Рассмотрим некую точку x, которая находится на расстоянии \rho от точки x_0 = (0), затем рассмотрим шар B(x,\eps). Каждая точка, принадлежащая этому шару, также, очевидно, принадлежит всей действительной прямой, т.е. \forall y \in B(x,\eps): y \in S, что означает что любая точка входит в множество S вместе с некоторым шаром, а по определению это значит, что S — открытое множество

Свойства открытых множеств.

Пусть \mathcal{A} — множество индексов, и каждому элементу \alpha \in \mathcal{A} поставлено в соответствие некоторое множество E_{\alpha}. Тогда говорят, что задано семейство множеств \{E_{\alpha}\}_{\alpha \in \mathcal{A}}.

Теорема. Система всех открытых множеств в \mathbb{R}^n обладает следующими свойствами:

  1. все пространство \mathbb{R}^n и пустое множество \emptyset открыты;
  2. пересечение любого конечного числа открытых множеств открыто;
  3. объединение любого семейства \{G_{\alpha}\}_{\alpha \in \mathcal{A}} открытых множеств открыто.
  1. Пустое множество \emptyset открыто по определению, а всё пространство \mathbb{R}^n, очевидно, открыто, поскольку любой шар содержится в \mathbb{R}^n.
  2. Пусть G_1,…,G_s — открытые множества, G = \bigcap\limits_{i=1}^s G_i. Пусть x \in G. Тогда x \in G_i для всех i=1,…,s. Но каждое из множеств G_i открыто, так что для каждого i=1,…,s найдется шар B(x,r_i) \subset G_i. Среди всех этих шаров выберем шар с наименьшим радиусом B(x,r), где r = min(r_1,…,r_s). Тогда B(x, r) \subset G_i при каждом i=1,…,s, а значит, B(x,r) \subset G, и тем самым доказано, что множество G открыто.
  3. Пусть G = \bigcup\limits_{\alpha \in \mathcal{A}} G_{\alpha}, где каждое множество G_{\alpha} открыто. Докажем, что и множество G также открыто. Действительно, пусть x \in G. Тогда x принадлежит по крайней мере одному из множеств G_{\alpha_0}. Так как это множество G_{\alpha_0} открыто, то найдется окрестность B(x,\rho) \subset G_{\alpha_0} \subset G. Таким образом, G — открытое множество.

Замечание. Пересечение бесконечного набора открытых множеств не обязано быть открытым множеством. Например, пусть B_k — открытый шар с центром в нуле и радиусом \frac{1}{k} (k = 1,2,…). Тогда \bigcap\limits^{\infty}_{k=1} B_k = \{0\}. Но множество \{0\}, состоящее из одной точки, не является открытым, поскольку оно не содержит в себе ни одного шара.

Определение. Пусть E — непустое множество в \mathbb{R}^n. Тогда совокупность всех его внутренних точек называется внутренностью множества E и обозначается через \mathring{E} или \text{int} E.

Теорема. Для любого непустого множества E его внутренность — открытое множество.

Будем предполагать, что \mathring{E} не пусто. Пусть x \in \mathring{E}. Тогда x — внутренняя точка множества E (по определению внутренности). Нужно доказать, что x является также внутренней точкой множества \mathring{E}. Итак, найдется шар B(x,\rho) \subset E. Но поскольку шар — открытое множество, то каждая точка y \in B(x,\rho) содержится в этом шаре вместе с некоторой окрестностью U_y. Значит U_y \subset E, и поэтому y — внутренняя точка множества E, т.е. y \in \mathring{E}. Таким образом, мы получили, что B(x,\rho) \subset \mathring{E}, а это означает, что \mathring{E} — открытое множество, и теорема доказана.

Пример 4. Рассмотрим область определения функции f(x) = \frac{1}{x}. D(f) = (-\infty;0)\cup(0;\infty), значит D(f) можно представить в виде объединения двух интервалов D(f) = A_1 \cup A_2, где A_1 = (-\infty;0); A_2 = (0;\infty), то есть в виде объединения двух открытых множеств, так как интервалы — открытые множества по доказанному ранее. А значит, по свойству открытых множеств, множество D(f) — открытое множество.

Пример 5. Рассмотрим область определения функции f(x) = \sqrt{3x}. D(f)=\{x \in \mathbb{R} | x \geqslant 0\}. Это множество не является открытым, докажем это. Рассмотрим точку x=0. x \in D(f), однако не существует такого открытого шара B(x,\rho), который полностью бы лежал в D(f), так как в этом шаре будет присутствовать точка y, такая что x-\rho < y < x = 0. Из этого следует, что y < 0 и y не принадлежит D(f). Значит D(f) не является открытым множеством.

9.2.1. Открытые множества

Для закрепления материала предложен тест по теме «Открытые множества».

Достаточные условия экстремума

Экстремумы функций одной переменной

Определение:

Функция f:\mathbb{E} \subset \mathbb{R}\rightarrow \mathbb{R}, имеет во внутренней точке x_{0}:

  • Локальный минимум, если \exists U(x_{0}):\forall x\in \dot {U}(x_{0}) f(x)\ge f(x_{ 0 })
  • Строгий локальный минимум, если \exists U(x_{0}):\forall x\in \dot {U}(x_{0}) f(x) > f(x_{ 0 })
  • Локальный максимум если \exists U(x_{0}):\forall x\in \dot {U}(x_{0}) f(x)\le f(x_{ 0 })
  • Строгий локальный максимум, если \exists U(x_{0}):\forall x\in \dot {U}(x_{0}) f(x) < f(x_{ 0 })

Поиск локальных и абсолютных экстремумов — важная практическая задача, породившая широкий спектр методов оптимизации. Изучение свойств и условий существования локального экстремума функций в одномерном случае создает прочный фундамент, упрощающий изучение аналогичного материала в анализе функций многих переменных.


Достаточные условия экстремума в терминах первой производной

Читать далее «Достаточные условия экстремума»