Теорема 1 . Если f (x ) = b , то f (x ) = b + a (x ), где a (x ) – б.м. при x ® a .
Доказательство. Пусть f (x ) = b . Рассмотрим функцию a (x ) = f (x ) – b и покажем, что a (x ) – б.м. при x ® +¥ .
Из определения f
(x
) = b
имеем, что "e
> 0 $x
0 "x > x
0 |f
(x
) – b
| < e
, но так как a
(x
) = f
(x
) – b
, то "e
> 0 $x
0 "x > x
0 |a
(x
)| < e
, а это означает, что a
(x
) – б.м. при
x
® +¥.
Итак, из равенства a (x ) = f (x ) – b имеем f (x ) = b + a (x ), где a (x ) – б.м. при x ® +¥.
Теорема 2.
Если функцию f
(x
) можно представить в виде: f
(x
) = b
+ a
(x
), где
b
– число, a
(x
) – б.м. функция при x
® a
, то f
(x
) = b
.
Доказательство. Пусть f (x ) = b + a (x ), где a (x ) – б.м. при x ® +¥, т.е.
"e > 0 $x 0 "x > x 0 |a (x )| < e . (*)
Но a (x ) = f (x ) – b , поэтому (*) можно записать так: "e > 0 $x 0 "x > x 0 |f (x ) – b | < e , что означает: f (x ) = b .
Следующие теоремы значительно облегчают нахождение пределов.
Теорема 3 . Предел суммы (разности) двух функций равен сумме (разности) их пределов, т.е. если
f 1 (x ) = b 1 , f 2 (x ) = b 2 , то (f 1 (x ) + f 2 (x )) = b 1 + b 2 , (f 1 (x ) – f 2 (x )) = b 1 – b 2 .
Доказательство. На основании теоремы 1: f 1 (x ) = b 1 + a 1 (x ), f 2 (x ) = b 2 + a 2 (x ), где a 1 (x ), a 2 (x ) – б.м. при x ® a , тогда
f 1 (x ) + f 2 (x ) = (b 1 + a 1 (x )) + (b 2 + a 2 (x )) = (b 1 + b 2) + (a 1 (x ) + a 2 (x )).
Но a 1 (x ) + a 2 (x ) – б.м. функция при x ® a (как сумма двух б.м. функций), поэтому из равенства f 1 (x ) + f 2 (x ) = (b 1 + b 2) + (a 1 (x ) + a 2 (x )) по теореме 2 следует, что
(f 1 (x ) + f 2 (x )) = b 1 + b 2.
Аналогично проводится доказательство для разности.
Теорема 4 . Предел произведения двух функций равен произведению их пределов, т.е. если f 1 (x ) = b 1 , f 2 (x ) = b 2 , то (f 1 (x ) f 2 (x )) = b 1 × b 2 .
Доказательство. По теореме 1: f 1 (x ) = b 1 + a 1 (x ), f 2 (x ) = b 2 + a 2 (x ), где a 1 (x ), a 2 (x ) – б.м. при x ® a , тогда f 1 (x )× f 2 (x ) = b 1 × b 2 + b 1 ×a 2 (x ) + b 2 ×a 1 (x ) + a 1 (x )× a 2 (x ).
На основании следствий 2, 3, теоремы 1 (разд. 1.6) функции b
1 ×a
2 (x
), b
2 ×a
1 (x
), a
1 (x
)×a
2 (x
) – б.м. при x
® a
и a
(x
) = b
1 ×a
2 (x
) + b
2 ×a
1 (x
) + a
1 (x
)×a
2 (x
) – бесконечно малая функция при x
® a
. Из равенства f
1 (x
) f
2 (x
) = b
1 b
2 + a
(x
) по теореме 2 следует, что
(f
1 (x
)f
2 (x
)) = b
1 b
2 .
Следствие 1
. Постоянный множитель можно выносить за знак предела, т.е.
(С
×f
(x
)) = С
f
(x
), где С
– постоянное число.
Доказательство. С f (x ) = С f (x ) = С f (x ), так как С = С.
Следствие 2 . Если n – натуральное число, то [(f (x )) n ] = (f (x )) n .
Теорема 5
. Предел дроби равен пределу числителя, деленному на предел знаменателя при условии, что предел знаменателя не равен нулю. Иначе, если f
1 (x
) = b
1 ,
f
2 (x
) = b
2 и b
2 ¹ 0, то .
Доказательство. По теореме 1: f 1 (x ) = b 1 + a 1 (x ), f 2 (x ) = b 2 + a 2 (x ), где a 1 (x ), a 2 (x ) – б.м. при x ® a , тогда
Обозначим последнюю дробь a
(x
) = , тогда + a
(x
). Остается показать, что a
(x
) – б.м. при x
® a
. Действительно, числитель дроби
b
2 a
1 (x
) – b
1 a
2 (x
) – б.м. по свойствам бесконечно малых функций, предел
(b
2 2 + b
2 a
2 (x
)) = b
2 2 ¹ 0, на основании теорем 3, 4. Поэтому – функция,ограниченная при x
® a
(по теореме 3 разд. 1.6). Значит, a
(x
) – б.м. при x
® a
(по теореме 4 разд. 1.6). Теорема доказана.
Рассмотрим применение доказанных теорем при нахождении пределов.
Пример . Найти .
Решение. Найдем сначала предел числителя и знаменателя. По свойствам пределов3 x = 3x = 3(–2) = –6, 1 = 1, поэтому (3x – 1) = –6 – 1 = –7. Аналогично, (5 – 4x ) = 5 – 4(–2) = 13. Используя теорему 5, получим:
.
Теорема 6 . Если f (x ) существует и f (x ) ³ 0 для всех x из области определения функции, то f (x ) ³ 0.
Доказательство. Пусть . Докажем методом от противного, предполагая, что f (x ) = b < 0. Зафиксируем e = –, e > 0. По определению предела по e найдется x 0 , такое, что "x > x 0 |f (x ) – b | < e , отсюда b – e < f (x ) < b + e . Но e = –, поэтому "x > x 0 f (x ) < b – , f (x ) < , т.е. f (x ) < 0, что противоречит условию. Теорема доказана .
Теорема 7
. Если "x
(f
1 (x
) ³ f
2 (x
)) и f
1 (x
), f
2 (x
) существуют, то
f
1 (x
) ³ f
2 (x
).
Доказательство.
Рассмотрим функцию F
(x
) = f
1 (x
) – f
2 (x
), тогда "x
(F
(x
) ³ 0) иF
(x
) существует. По теореме 6: F
(x
) ³ 0, (f
1 (x
) – f
2 (x
)) ³ 0, отсюда
f
1 (x
) ³ f
2 (x
). Теорема доказана
.
Основные теоремы о пределах.
1. Предел алгебраической суммы двух, трех и вообще определенного числа переменных равен алгебраической сумме пределов этих переменных, т.е.
lim (u 1 + u 2 + … + u n) = lim u 1 + lim u 2 + … + lim u n
2. Предел произведения определенного числа переменнных равен произведению пределов этих переменных, т.е.
lim (u 1 × u 2 × … × u n) = lim u 1 × lim u 2 × … × lim u n
3. Предел частного двух переменных равен частному пределов этих переменных, если предел знаменателя отличен от нуля, т.е. если lim V ¹ 0 .
3. Если для соответствующих значений функций u = u(x), z = z(x), v = v(x) выполняются неравенства u £ z £ v и при этом u(x) и v(x) при х ® а (или х ® ¥ ) стремятся к одному и тому же пределу b , то z = z(x) при х ® а (или х ® ¥) стремится к тому же пределу.
Теорема 4 позволяет доказать справедливость важного соотношения, называемого первым замечательным пределом . (2.1)
Из (2.1) следует эквивалентность бесконечно малых х и sin x: sin x ~x.
y |
y = sin x |
x |
y = x |
Рис. 2.3 |
Еще одно важное соотношение теории пределов, называемое вторым замечательным пределом имеет
вид:
(2.2)
Число е – иррациональное (также как и число p ) и может быть записано в виде бесконечной десятичной непериодической дроби е = 2,71828… ; играет важную роль в вычислительной математике, служа, в частности, основанием натурального логарифма, обозначаемого ln x = log e x . Функцию у = е х называют экспоненциальной функцией (иногда обозначается как ехр х ). В решении задач теории пределов могут быть полезны следующие равенства: . Можно также заменять бесконечно малые величины эквивалентными им:
Непрерывность функций. Функцию у = f(х) а если:
1.Эта функция определена в некоторой окрестности точки а и в самой точке;
2.Существует предел функции и он равен значению функции в этой точке, т.е. . Можно предложить и иное определение. Пусть аргумент х 0 получит приращение Dх и примет значение х = х 0 + Dх . В общем случае функция также получит некоторое приращение Dу = f(х 0 + Dх) – f(х 0) .
Функцию f(х) называют непрерывной в точке х 0 , если она определена в этой точке и некоторой окрестности ее и если бесконечно малому приращению аргумента соответствует бесконечно малое приращение функции, т.е.
(2.3) или (2.3`)
Приведем формулировку теоремы: Всякая элементарная функция непрерывна в каждой точке, в которой она определена
и получим важное для решения задач теории пределов следствие. Запишем условие непрерывности в виде
или, что тоже самое, . Но и, следовательно, (2.4), т.е. для любой непрерывной функции во всех точках области определения ее справедливо соотношение (2.4) – предел функции равен функции предела
(символы (и соответствующие операции) предела и функции можно поменять местами): .
Пример:
В ряде случаев удобно использовать следующее соотношение:
Говорят, что если функция f(x) непрерывна в каждой точке некоторого интервала (а, b) , где a < b , то функция непрерывна на этом интервале. Точка внутри или на границе области определения, в которой нарушается условие непрерывности, называется точкой разрыва. Если существуют конечные пределы и , причем не все три числа b 1 , b 2 и f(a) равны между собой, точка а называется точкой разрыва первого рода . Эти точки подразделяются на точки скачка , когда b 1 ¹ b 2 (скачок равен b 2 - b 1 ) и точки устранимого разрыва, когда b 1 = b 2 . Точки разрыва, не являющиеся точками разрыва первого рода, называются точками разрыва второго рода . В этих точках не существует хотя бы один из односторонних пределов (Пример – “бесконечный” разрыв: ).
Рассмотрим некоторые свойства непрерывных функций (доказательства теорем можно найти в рекомендуемой литературе).
1. Если функция f(x) непрерывна на некотором отрезке , то на этом отрезке найдется по крайней мере одна точка х = х 1 такая, что значение функции в этой точке будет удовлетворять соотношению f(x 1) ³ f(x) , где х – любая другая точка отрезка, и найдется по крайней мере одна точка х 2 такая, что значение функции в этой точке будет удовлетворять соотношению f(x 2) ≤ f(x) .
y 1 |
y 2 |
y 3 |
x |
a |
m |
M |
в |
Рис. 2.4 |
(Отметим, что на интервале (а, b) утверждение теоремы может оказаться неверным. Пример: у = х – функция не имеет на интервале (а, b) наибольшего и наименьшего значений, т.к. не достигает значений а и b !)
у |
у 2 |
а |
в |
х |
у 1 |
Рис. 2.5 |
х |
3. Если функция f(x) определена и непрерывна на отрезке и на концах этого отрезка принимает неравные значения f(a) = A и f(b) = B то, каково бы ни было число m , заключенное между числами А и В , найдется такая точка х = с , заключенная между a и b , что f(c) = m (легко видеть, что теорема 2 является частным случаем теоремы 3).
Пусть f(x) и j (x) – функции, для которых существуют пределы при х ® х 0 (¥):
,
Тогда имеют место следующие теоремы о пределах:
1. Функция не может иметь более одного предела.
2. Предел алгебраической суммы конечного числа функций равен такой же сумме пределов этих функций:
3. Предел произведения конечного числа функций равен произведению пределов этих функций:
В частности, постоянный множитель можно выносить за знак предела:
4. Предел частного двух функций равен частному пределов этих функций (при условии, что предел делителя не равен нулю):
(B ¹ 0)
Пример. Вычислить предел .
◄ Пределы числителя и знаменателя существуют и предел знаменателя не равен нулю. Пользуясь теоремой о пределе частного, получаем:
Пример. Вычислить .
◄ Теорему о переделе частного здесь применять нельзя, т.к. числитель и знаменатель конечного предела не имеют. Имеем неопределенность . В подобных случаях для раскрытия неопределенности целесообразно числитель и знаменатель разделить на степень х с наивысшим показателем, а затем перейти к пределу:
.
Замечательные пределы
Первый замечательный предел :
Второй замечательный предел :
,
где –число Эйлера, которое является основанием для натуральных логарифмов. Последний предел можно записать в других формах:
,
.
Пример. Вычислить .
◄ Для раскрытия подобных неопределенностей используется первый замечательный предел:
Непрерывность функции.
Функция f (x ) называется непрерывной в точке х 0 , если она удовлетворяет следующим условиям:
1) она определена в точке ,т.е. существует f(х 0);
2) она имеет конечный предел функции при х ® х 0 ;
3) этот предел равен значению функции в точке х 0 ,
т.е.
Например, в точке х = 0 функция не является непрерывной (нарушено 1-е условие).
Функция, заданная выражением:
в точке х = 0 не является непрерывной из-за отсутствия предела при х ® 0, хотя существуют пределы слева и справа (см. рис.).
Точка называется точкой разрыва функции , если эта функция в данной точке не является непрерывной. Существует две разновидности точек разрыва.
Точка разрыва 1-го рода : существуют конечные односторонние пределы функции слева и справа при х ® х 0 , не равные друг другу.
х = 0 для рассмотренной выше функции .
Точка разрыва 2-го рода : хотя бы один из односторонних пределов равен бесконечности или не существует.
В качестве примера можно указать точку х = 0 для функции .
Свойства функций непрерывных в точке:
1. Если функции и непрерывны в точке , то их сумма , произведение и частные () являются функциями, непрерывными в точке .
2. Если функция y = f (x ) непрерывна в точке х 0 и f(x 0) > 0, то существует такая окрестность точки x 0 , в которой и f(x) > 0.
3. Если функция y = f (u ) непрерывна в точке u 0 и f(x 0) > 0, а функция непрерывна в точке х 0 , то сложная функция y = f [j (х )] непрерывна в точке х 0 .
Функция y = f (x ) называется непрерывной на промежутке Х, если она непрерывна в каждой точке этого промежутка.
Свойства функций непрерывных на отрезке:
1. Если функция y = f (x ) непрерывна на отрезке [a, b ], то она ограничена на этом отрезке.
2. Если функция y = f (x ) непрерывна на отрезке [a, b ], она достигает на этом отрезке наименьшего значения m и наибольшего значения M.
3. Если функция y = f (x ) непрерывна на отрезке [a, b ] и ее значения на концах отрезка f(a) и f(b) имеют противоположные знаки, то внутри отрезка найдется точка x Î (a, b ) такая, что f (x)=0.
Лекция 2.7.2 «Производная. Дифференциал»
Учебные вопросы:
1. Производная
2. Дифференциал
Производная
Производной от функции называется предел отношения приращения функции к приращению независимой переменной при стремлении последнего к нулю (если этот предел существует):
.
Другие обозначения производной: .
Дифференцирование функции – это нахождение производной этой функции. Если функция имеет в точке x производную (конечную), то она называется дифференцируемой в этой точке.
Геометрический смысл производной: производная равна тангенсу угла между осью Ox и касательной, проведенной к графику функции в точке (см. рис.).
Механический смысл: производная пути по времени есть скорость точки в момент т.е. .
Производительность труда в момент есть производная объема произведенной продукции по времени .
Теорема. Если функция дифференцируема в точке , то она в этой точке непрерывна.
Обратная теорема, вообще говоря, не верна, т.е. непрерывная функция может быть не дифференцируемой в точке , например, функция в точке .
Правила дифференцирования
1. Производная константы равна нулю, т.е. , где С - const.
2. Производная аргумента равна 1, т.е. .
3. Производная алгебраической суммы конечного числа дифференцируемых функций равна такой же сумме производных этих функций, т.е.
ФУНКЦИИ И ПРЕДЕЛЫ IX
§ 212. Основные теоремы о пределах функций
Прежде всего заметим, что не для всякой функции у = f (х ) существует предел f (х ). Так, например, при x -> π / 2 значения функции у = tg х (рис. 303) или неограниченно растут (при х < π / 2), или неограниченно убывают (при х > π / 2).
Поэтому нельзя указать никакого числа b , к которому стремились бы значения этой функции.
Другой пример. Пусть
График этой функции представлен на рисунке 304.
Когда значений аргумента х приближаются к 0, оставаясь отрицательными, соответствующие значения функции стремятся к 1. Когда значения аргумента х приближаются к 0, оставаясь положительными, соответствующие значения функции стремятся к -2. В самой же точке х = 0 функция обращается в 0. Очевидно, что указать одно какое-нибудь число, к которому стремились бы все значения у при приближении х к 0, нельзя. Поэтому данная функция не имеет предела при х -> 0.
Говоря в дальнейшем о пределе функции, мы всегда будем предполагать, что этот предел существует.
Предположение о существовании предела f (х ) еще не означает, что этот предел совпадает со значением функции f (х ) в точке х = а . Для примера рассмотрим функцию, график которой представлен на рисунке 305.
Очевидно, что предел f (х ) существует и равен 1. Но в самой точке х = 0 функция принимает значение, равное 2. Поэтому в данном случае
f (х ) =/= f (0).
Если функция у = f (х ) удовлетвoряет условию
f (х ) = f (a ),
то она называется непрерывной в точке х = а . Если же указанное условие не выполняется, то функция f (х ) называется разрывной в точке х = а ."
Все элементарные функции (например, у = х п , у = sin х , у = tg х , у = tg 2 х + tg х и т. д.) непрерывны в каждой точке, в которой они определены.
Функция у = f (х ) называется непрерывной в интервале [а, b ], если она непрерывна в каждой точке этого интервала. Например, функция у = tg x непрерывна в интервале[- π / 4 , π / 4 ], функции у = sin x и y = cos x непрерывны в любом интервале и т. д.
Приведем без доказательства основные теоремы о пределах функций. Эти теоремы вполне аналогичны тем, которые мы рассматривали (также без доказательства) ранее при изучении пределов числовых последовательностей.
1. Предел константы равен самой этой константе:
с = с .
2. Постоянный множитель можно выносить за знак предела:
[ k f (х )] = k f (х ).
3. Предел суммы (разности) функций равен сумме (разности) пределов этих функций:
[ f (х ) ± g (х )] = f (х ) ± g (x ).
4. Предел произведения функций равен произведению пределов этих функций:
[ f (х ) g (х )] = f (х ) g (x ).
5. Предел отношения двух функций равен отношению пределов этих функций, если только предел делителя не равен нулю:
Рассмотрим несколько типичных примеров нахождения пределов функций.
Пример 1. Найти
При х -> 3 числитель и знаменатель данной дроби стремятся к нулю. Поэтому непосредственное применение теоремы о пределе частного здесь невозможно. Однако данную дробь можно сократить:
(Обратите внимание на следующую важную особенность, характерную для рассмотренного примера. Когда мы говорим о пределе f (х ), то обычно предполагаем, что функция f (х ) определена во в с е х точках, достаточно близких к точке х = а . Однако функция определена лишь для положительных значений х . Поэтому, рассматривая предел этой функции, мы фактически предполагаем, что х -> 0, оставаясь все время положительным. В подобных случаях говорят не просто о пределе, а об одностороннем пределе. С аналогичными примерами мы еще встретимся при выполнении упражнений к этому параграфу.)
Основные теоремы о пределах .
Теорема (о предельном переходе в равенствах). Если в некоторой окрестности точки значения функций f(x) и g(x) совпадают, то их пределы в этой точке равны:
f(x)=g(x) => .
Теорема (о предельном переходе в неравенствах) . Если в некоторой окрестности точки выполняется неравенство f(x)≤ g(x), то верно и неравенство: .
Теорема . Предел постоянной равен самой постоянной: .
Док-во. Проводится на основании определения, где в качестве можно взять любое положительное число. Тогда при .▲
Теорема (о единственности предела). Функция не может иметь более одного предела в данной точке.
Док-во. Предположим противное. Пусть и , . Тогда по теореме о связи предела и БМ:
- БМ при ,
- БМ при . Вычитая эти равенства, получим:
На основании свойства 1 БМФ это есть БМ. Переходя в этом равенстве к пределу, получим:
,
Получено противоречие, доказывающее теорему.▲
Необходимые условия существования конечного предела функции.
Теорема (о локальной ограниченности) . Для существования конечного предела функции в точке необходимо, чтобы в некоторой окрестности этой точки (за исключением самой точки) функция была ограничена.
Теорема (о локальном повторении функцией свойств предела). Для существования в точке конечного предела необходимо, чтобы в некоторой окрестности этой точки (за исключением самой точки) .
Достаточные условия существования конечного предела функции.
Теорема (об арифметике) . Если для и существуют конечные пределы, то для их суммы и произведения также существуют конечные пределы, причем:
Если , то существует конечный предел частного:
Док-во. Докажем, например, второе равенство.
Пусть существуют конечные пределы и . Докажем, что существует конечный предел .
Итак, мы должны доказать, что:
Возьмем произвольное . Найдем из условия , т.е. для этого : .
Найдем из условия , т.е. для этого :
Т.к. для по условию существует конечный предел в т. , то эта функция будет ограниченной в некоторой окрестности т. (по теореме о локальной ограниченности), т.е. - некоторой константы.
Положим . Проверим, что это - искомое. Действительно,
Теорема (о промежуточной функции) . Пусть для функций и существуют конечные пределы в т., равные друг другу, и в некоторой окрестности т. , за исключением самой этой точки, выполняется условие:
. Тогда для тоже существует конечный предел в т. , равный значению пределов функций и .
Теорема (о пределе монотонной ограниченной функции) . Если функция монотонно возрастает (убывает) в некоторой окрестности т. и ограничена сверху (снизу), то она имеет в этой точке соответствующий односторонний предел.
Вычисление пределов функций .
Теорема об арифметике позволяет не только устанавливать факт существования конечного предела, но и вычислять его.
Пример. .
Однако, в ряде случаев теорема об арифметике не может быть применена.
, . Теорему применять нельзя, хотя
В этих случаях говорят, что имеет место неопределенность. Для вычисления предела необходимо преобразовать функцию тождественным образом так, чтобы теорема об арифметике стала применима (т.е. раскрыть неопределенность).
К неопределенностям относят следующие ситуации:
Замечательные пределы .
Теорема 1 (первый замечательный предел) . Предел отношения синуса бесконечно малой дуги к самой дуге, выраженной в радианах, равен единице:
Док-во. Рассмотрим круг радиуса R с центром в точке О. Пусть сначала . Из рисунка видно, что.
;
;
Таким образом,
Разделив обе части этого выражения на
>0, получим:
или .
Переходя в этом неравенстве к пределу при , получим: .
По теореме о промежуточной функции .
При полученные выводы также будут справедливы (доказать самостоятельно).▲
Следствия. ; ; .
Теорема 2 (второй замечательный предел) . Числовая последовательность имеет конечный предел, равный числу е:
, ()
Следствия. ; .
К числу е приводят многие задачи из области физики, биологии, ядерной физики, демографии и т.п. Рассмотрим применение второго замечательного предела в экономических расчетах.
Задача о непрерывном начислении процентов .
1. Простые проценты . В банк под проценты положена денежная сумма . Ежегодная процентная ставка составляет р %. Каков будет размер вклада Q через t лет?
При использовании простых процентов размер вклада ежегодно увеличивается на одну и ту же величину.
Через год сумма составит ,
Через два года: ;
Через t лет:
- формула простых процентов.
2. Сложные проценты . При использовании сложных процентов начисляются «проценты на проценты», т.е. размер вклада увеличивается ежегодно в одно и то же число раз:
- формула сложных процентов.
В практических финансово-кредитных операциях непрерывное начисление процентов не применяется, но используется в демографических, инвестиционных и др. расчетах.