UML_4256
.pdfВ силу монотонного возрастания функции f (x) имеем |
|
f (x′)≤ f (x )≤ f (x′′). |
(2) |
0 |
f (x′) |
Из (2) следует, что множество значений функции |
ограничено сверху, следовательно, имеет точную верхнюю грань, то есть существует sup f = A. Аналогично из (2) следует существование
|
|
|
(a,x0 ) |
inf f |
= B . |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
(x0 ,b) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ε > 0 |
По |
определению |
точной верхней |
грани |
для |
любого |
|||||||||
существует xε |
|
(a, x0 ) |
такое, что |
A − f (xε |
) |
< ε |
(см. §7 |
гл. 1). |
В силу |
|||||
монотонного |
возрастания функции |
f (x) |
неравенство (3) |
будет |
||||||||||
выполняться для любогоx′, удовлетворяющему неравенству |
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
xε |
< x′ < x0 , |
|
|
|
|
(4) |
|||
то есть |
|
|
|
|
A − f (x′)< ε . |
|
|
(3') |
||||||
Обозначив |
x0 − xε |
= δε , |
неравенство |
(4) можно |
переписать в |
|||||||||
следующем виде |
|
x −δ |
|
< x′ < x . |
|
|
(4′) |
|||||||
|
|
|
|
ε |
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
Итак, для любого ε > 0 нашли δε |
> 0 такое, что из (4′) следует |
|||||||||||||
′ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
что |
A есть левый предел |
|||
(3 ). По определению Коши это означает, |
||||||||||||||
функции |
f (x) |
в точке x0 , то есть |
(x)= A = sup f . |
|
|
|||||||||
|
|
|
|
lim |
f |
|
|
|||||||
|
|
|
|
x→x0 −0 |
|
|
|
|
(a,x0 ) |
|
|
|
Аналогично можно доказать существование правого предела функции f (x) в точке x0 . Теорема доказана. Теорема справедлива и
для монотонно убывающей функции.
§6. Сравнение функций. Асимптоты. Асимптотические ряды
Пусть α (x) и β (x) – бесконечно малые в точке x0 , а x0 – предельная точка области определения X функций α (x) и β (x). Если
существует предел lim |
α (x) |
≠ 0, то |
α (x) и |
β (x) называют |
|
β (x) |
|||||
x→x0 |
|
|
|
121
бесконечно |
малыми |
одного порядка малости в точке x0 . |
Пишут |
|||||
α = O(β ) при x → x0 . |
|
|
|
|||||
Если |
lim |
α (x) |
|
=1, |
то α (x) |
и β (x) называют эквивалентными |
||
β (x) |
||||||||
|
x→x0 |
|
|
|
|
|||
бесконечно малыми или асимптотически равными. Пишут α (x) |
β (x) |
|||||||
при x → x0 . |
α (x) |
|
|
|
|
|
||
Если |
lim |
= 0 , |
то α (x) |
называют бесконечно малой более |
||||
β (x) |
||||||||
|
x→x0 |
|
|
|
|
высокого порядка малости по сравнению с β (x). Пишут α = o(β ) при
x → x0 . |
|
sin x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
Пример 1. lim |
=1. |
→ sin x |
x при x → 0. |
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
x→0 |
|
|
x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
Заметим, что из упражнений §4 следует, что |
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
x |
tgx |
arcsin x |
arctgx при x → 0. |
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
sin2 x |
|
|
|
|
sin x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
Пример 2. lim |
|
|
|
|
|
= lim |
|
|
|
|
sin x =1 0 = 0. sin2 x = o(x) |
|||||||||||||||||||||
|
|
x |
|
x |
|||||||||||||||||||||||||||||
при x → 0. |
x→0 |
|
|
|
x |
→0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
sin 2x |
|
|
|
|
|
|
|
|
sin 2x |
|
|
|
|
2x = t |
|
|
|
sin t |
|
|||||||||||||
|
Пример 3. lim |
|
= 2lim |
|
|
= |
|
|
= 2lim |
= 2. |
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
x→0 |
|
|
x |
|
|
|
x→0 |
2x |
|
|
|
|
|
t → |
|
|
|
x→0 |
t |
|||||||||||
sin (2x)= O(x) при x → 0 или sin 2x |
|
|
2x. |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
|
Аналогично сравниваются и бесконечно большие функции в точке |
||||||||||||||||||||||||||||||||
x0 . При этом функция f |
(x) называется бесконечно большой в точке |
||||||||||||||||||||||||||||||||
x |
|
1 , если |
существует |
O(x ,δ ) |
такая, |
|
|
что x O(x ,δ )∩ E |
|||||||||||||||||||||||||
R |
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
f (x) |
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|||||
выполняется неравенство |
|
|
> M , где M > 0 – произвольное число. |
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||
Пишут lim f (x)= ∞. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
x→0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
sin x |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
Пример 4. ϕ(x)= x , |
f (x)= x + |
. Очевидно, ϕ(x) и f (x) |
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x |
|
|
|
|
|
f (x) ϕ(x) при |
|||
бесконечно большие в точке x0 = +∞. Убедимся, что |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
x → +∞. Действительно, |
|
|
x +sin x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
lim |
f (x) |
|
= lim |
x |
= lim |
1+ |
sin x |
=1. |
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
ϕ(x) |
|
|
|
|
|
|
x |
|
x3 |
||||||||||||||||||||||
|
|
x→+∞ |
x→+∞ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x→+∞ |
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
122 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Теорема. |
|
Если |
|
|
f (x) |
|
|
f1 (x), g (x) |
g1 (x) |
|
|
при |
x → x0 |
и |
|||||||||||||||||||||||||||
lim |
f1 (x) |
существует, то lim |
|
f (x) |
|
|
также существует, причем |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||
g |
(x) |
|
g (x) |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
x→x0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x→x0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
f (x) |
|
|
|
|
|
|
|
|
f1 (x) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
lim |
|
|
|
= lim |
|
|
. |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x→x0 |
|
|
g (x) |
x→x0 g |
(x) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
f (x) |
|
|
|
|
|
|
|
f (x) |
|
|
1 |
(x) g1 (x) |
|
|
|
|
||||||||||||
|
Доказательство. lim |
|
= lim |
|
f1 |
= |
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
g (x) |
|
f (x) |
|
|
g |
(x) |
|
g (x) |
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x |
→0 |
|
x |
→0 |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= lim |
|
f (x) |
lim |
|
f1 (x) |
lim |
g1 (x) |
= lim |
|
f1 (x) |
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
x→0 |
f (x)x→0 |
|
g |
(x)x |
→0 |
|
g (x) |
|
|
x→0 |
|
g |
(x) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
1 |
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Теорема доказана. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
Теорему часто используют при нахождении пределов. |
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Пример 5. Найти lim |
ln (1+ 2 |
|
|
x + x2 ) |
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x→0 arcsin ( |
x + 5x3 ) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
Решение. |
Очевидно, |
|
|
|
2 |
|
|
|
x + x2 |
2 |
|
x , |
|
|
|
x + 5x3 |
x , |
||||||||||||||||||||||||
ln (1+ x) |
x , |
arcsin x |
|
x |
|
при |
|
|
x → 0 |
(см. |
§4). |
|
|
Учитывая |
все это и |
|||||||||||||||||||||||||||
используя теорему, найдем |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
lim |
ln |
(1+ 2 |
x + x2 ) |
|
= lim |
2 |
x + x2 |
= lim |
2 |
|
x |
= 2 , |
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
x + 5x3 ) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
x→0 arcsin ( |
|
|
x→0 |
x + 5x3 |
x |
→0 |
x |
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
то есть |
|
|
|
|
|
|
2arcsin ( |
x + 5x3 ) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
ln (1+ 2 x + x2 ) |
2 |
x при x → 0. |
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Если f (x) |
ϕ(x) при x → x 0 , то можно записать |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
f (x)=ϕ(x)+ o(ϕ(x)) |
при x → x0 . |
|
(1) |
|||||||||||||||||||||||||||||
|
Равенство |
(1) |
|
называют |
асимптотическим |
равенством, |
или |
асимптотической формулой. В частности, если x0 бесконечно |
|||||
удаленная точка |
( x0 = ±∞), а ϕ(x)= kx + b – |
линейная функция, то |
|||
функцию ϕ(x) |
называют правой или левой наклонной асимптотой |
||||
графика |
функции |
f (x). Вводят и кривые |
асимптоты, |
например, |
|
ϕ(x)= |
2π xxxe−x |
– асимптота гамма-функции |
à (x) (см. |
пример 7) |
при x → +∞.
Перепишем (1) в виде
123
|
|
f (x) = kx + b + o(kx + b). |
|
|
|
(1') |
||||||
Найдем коэффициент k и свободный член асимптоты b . |
|
|||||||||||
′ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Из (1 ) получим |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
f (x) |
= k + |
b |
+ |
o(kx +b) |
. k |
= lim |
f (x) |
. |
(2) |
||
|
|
|
|
|
||||||||
|
x |
|
x |
x |
1,2 |
x→±∞ |
x |
|
||||
|
|
|
|
|||||||||
|
|
′ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Из той же формулы (1 ) найдем, что |
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
b1,2 |
= lim |
( f (x)− k1,2 x). |
|
|
|
(3) |
||||
|
|
|
|
x→±∞ |
|
|
|
|
|
|
Итак, если пределы (2) и (3) существуют, то график функции f (x) имеет наклонные асимптоты. Из (1′) получим, что
lim ( f (x)− kx −b)= 0 .
x→±∞
Это означает, что разность между ординатой графика функции f (x) и ординатой наклонной асимптоты стремится к нулю при x → ±∞.
y
π
0 |
x |
Пример 6. Найти асимптоты графика функции y = 2x + arcctgx . Решение. Поскольку 0 < arcctgx < π , то по формуле (2) имеем
k1,2 |
= lim |
f (x) |
= |
|
arcctgx |
|
||
|
lim 2 + |
|
|
= 2. |
|
|||
x |
x |
|
|
|||||
|
x→±∞ |
|
x→±∞ |
|
|
|
||
Согласно формуле (3), найдем |
|
0, |
x → +∞, |
|
||||
|
|
|
|
|
. |
|||
b1,2 = lim (2x + arcctgx −2x )= |
|
|
||||||
|
x→±∞ |
|
|
|
π, x → −∞ |
|
||
Итак, y = 2x – правая наклонная асимптота, y = 2x +π – левая |
||||||||
(см. рис.). |
|
|
|
|
{ϕk (x)} |
|
||
Функциональная |
последовательность |
называется |
асимптотической в точке x0 , если
124
|
|
ϕk +1 (x)= o(ϕk (x)) при x → x0 . |
|
|
(4) |
||||||||
|
|
|
|
|
|
∞ |
|
|
|
|
|
|
|
Формальный ряд |
|
∑ ckϕk (x) называют асимптотическим рядом, |
|||||||||||
|
|
|
|
|
k =0 |
{ϕk (x)} его |
|
|
|
|
|||
если последовательность |
членов |
асимптотическая. |
|||||||||||
|
|
|
∞ |
(−1)k k! |
|
|
|
|
x → ∞. |
||||
Например, ряд |
|
∑ |
|
|
|
асимптотический |
при |
||||||
|
xk |
+1 |
|
||||||||||
Действительно, |
k =0 |
|
|
|
|
|
|
||||||
(x) |
|
|
(−1)k +1 k! (k +1)xk +1 |
|
|
|
|||||||
|
ϕk +1 |
= lim |
|
k +1 |
|
||||||||
lim |
|
|
|
|
|
|
|
= −lim |
|
= 0 . |
|||
ϕk (x) |
|
|
|
|
xk +2 (−1)k |
x |
|||||||
x→∞ |
|
|
|
x→∞ |
|
|
k! |
x→∞ |
|
Что и требовалось доказать.
Заметим, что этот ряд всюду расходится. Однако, асимптотические ряды могут быть и сходящимися.
Асимптотический ряд
разложением функции f (x) эквивалентны функции f (x)
∞
∑ ckϕk (x) называется асимптотическим
k =0
при x → x0 , если его частичные суммы в точке x0 , то есть если
|
f (x) |
n |
|
|
|
∑ ckϕk (x) при x → x0 |
, |
|
|
|
|
k =0 |
|
|
|
n |
|
|
→ x0 . |
или |
f (x)= ∑ ckϕk (x)+ o(ϕn (x)) при x |
|||
|
k =0 |
|
|
|
Хотя асимптотические ряды чаще всего расходящиеся, тем не менее, их часто используют для приближенного вычисления функции f (x) в окрестности точки x0 .
Пример 7. Одной из самых распространенных асимптотических формул является формула Стирлинга
n! = 2πnnne−n + r (n),
где r (n)= o(n!).
1
Доказано, что r (n) ≤ e12n −1, поэтому приближенная формула
n! ≈ 2πnnne−n довольно точная при больших n . Например, 10!=3628800, приближенная формула дает значение 3598696. Относительная погрешность не превышает 1%.
125
§ 7. Непрерывность функции. Классификация точек разрыва
Определение 1. Пусть X , Y – метрические пространства, |
E X |
и f : E →Y . Функция f (x) называется непрерывной в точке |
x0 E , |
если для любого ε > 0 существует δε > 0 такое, что ρy ( f (x), f (x0 )) < ε для всех точек x E , для которых ρх(x, x0 ) < δε .
Если функция непрерывна в каждой точке множества E , то она называется непрерывной на множестве E .
Как и определение предела функции, определение непрерывности справедливо для функции общего вида, то есть отображения одного метрического пространства в другое. Однако далее мы будем рассматривать преимущественно частный случай, то есть действительную функцию действительного аргумента.
Сравнивая определение 1 с определением 2 §2, видим, что они очень похожи. Однако имеются и существенные отличия.
1) В определении 1 точка x0 может быть непредельной в отличие
от определения 2 §2;
2) в определении 1 f (x0 ) всегда определено, так как x0 E – область определения функции;
3)в определении 1 снимается требование ρx (x, x0 ) > 0, то есть, если некоторая последовательность хn сходится к x0 , то она может быть
истационарной (см. определение предела по Гейне в §2);
4)в определении 1 вводится дополнительное требование, чтобы
точка y0 У совпадала со значением функции в точке x0 , то |
есть |
y0 = f (x0 ) . |
|
Следствие 1. Если функция f (x) имеет предел в точке |
x0 и |
lim f (x) = f (x0 ) , то функция f (x) непрерывна в точке x0 . |
|
x→x0 |
|
Действительно, в этом случае все требования определения предела
по Коши удовлетворяют требованиям определения 1. |
|
|
|
Следствие 2. Если функция f (x) непрерывна в точке |
x0 |
и x0 |
|
является предельной точкой множества |
E , то предел функции |
f (x) |
|
существует, причем lim f (x) = f (x0 ) . |
Действительно, |
сравнивая |
|
x→x0 |
|
|
|
определение 1 и определение 2 §2, видим, что все требования определения 2 §2 выполняются.
126
Таким образом, если x0 – предельная точка области определения E , то определение 1 непрерывности эквивалентно условию
lim f (x) = f (x0 ) . (1)
x→x0 x E
Пример 1. Исследовать на непрерывность функцию y = xn ,
E = RI , n N .
Решение. В данном случае любая точка x0 R1 – предельная. Так как предел произведения равен произведению пределов, то имеем
|
|
lim xn = ( lim x)n = xn . |
|||
|
|
x→x0 |
x→x0 |
|
0 |
|
|
|
|
||
Поскольку |
f (x ) = xn , то |
lim xn = xn . |
Согласно следствию 1, |
||
|
0 |
0 |
x→x0 |
0 |
|
|
|
|
|
|
|
функция xn непрерывна всюду на числовой прямой. |
|||||
Пример 2. |
y = xn , |
E = Q R1. И |
в |
этом случае все точки |
|
являются предельными и |
lim xn = xn = f (x ). Следовательно, и в этом |
||||
|
|
x→x0 |
0 |
0 |
|
|
|
|
|
|
случае функция непрерывна в каждой рациональной точке множества
Q.
Определение 2. Если x0 – предельная точка и |
lim |
f (x) = f (x0 ) , |
|||||||
то функция f (x) |
|
|
|
|
|
|
|
x→x0 +0 |
x0 справа. |
называется непрерывной в |
точке |
||||||||
Аналогично, если |
lim f (x) = f (x0 ) – функция непрерывна слева. |
||||||||
x→x0 −0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
, |
|
x |
|
≤1, |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
x |
|
|
|
|
|
|||
Пример 3. f (x) = |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
1, x = ±2. |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
y |
|
|
|
|
1 |
|
|
-2 |
-1 |
1 |
2 |
x |
В данном случае область определения
E ={x R : x ≤1}U{−2}U{2}.
127
Очевидно, функция непрерывна в каждой точке x0 (−1,1). В точке x = −1 функция непрерывна справа, в точке x =1 – слева. Таким
образом, функция непрерывна на отрезке x |
[ |
] |
|
Точки |
x = ±2 – |
||||||||
|
−1,1 . |
||||||||||||
изолированные точки множества Е. |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Пусть δε = |
1 |
. Тогда |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
2 |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
x О 2, |
|
, x Е, |
|
f (x) = f (2) =1, |
|
||||||
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
2 |
|
|
|
ε > 0 − любое. |
||||||
ρ( f (x), f (2)) = |
|
f (x) − f (2) |
|
= 0 < ε, |
|||||||||
|
|
||||||||||||
Таким образом, для любого ε > 0 |
|
нашли δε = |
1 |
такое, |
что все |
||||||||
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
требования определения 1 выполняются. Следовательно, данная
функция непрерывна в точке x = 2 . Аналогично |
доказывается |
непрерывность в точке x = −2. Следовательно, функция |
непрерывна на |
множестве E .
Замечание. Если условия определения 1 нарушаются в некоторой точке, то эту точку называют точкой разрыва функции.
Например, точка x0 – предельная, а предел lim f (x) не
x→x0
существует, или существует, но не равен значению функции f (x0 ).
1 , х ≠ 0,
Пример 4. f (x) = х
0, х = 0.
Очевидно,
lim |
|
1 |
= −∞, |
lim |
1 |
= +∞, |
|||||
|
|
|
|||||||||
x→0− x |
x→0+ x |
|
|
|
|||||||
следовательно, функция в точке x0 = 0 терпит разрыв. |
|||||||||||
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
sin |
|
|
, x ≠ 0, |
|
|
|
|
|
|||
x |
|
|
|
|
|
||||||
Пример 5. f (x) = |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0, x = 0. |
|
|
|
1 |
|
||||||
Точка x = 0 – предельная, но |
lim sin |
не существует (см. |
|||||||||
|
|||||||||||
0 |
|
|
|
|
|
x→x0 |
|
x |
|||
|
|
|
|
|
|
|
пример 3 в §2). Следовательно, x0 = 0 – точка разрыва функции.
128
sinx , x ≠ 0,
Пример 6. x
0, x = 0.
Точка x0 |
= 0 |
– предельная, |
sinx |
|
|
|
lim |
=1 ≠ f (0). |
|
|
|
x |
||
Точка x0 |
= 0 |
x→0 |
|
|
– точка разрыва. |
|
|
1, х− рациональное, Пример 7. f (x) = D(x) = 0, х−иррациональное.
D(x) – функция Дирихле.
Здесь E = R1 , все точки предельные, однако ни в одной точке функция Дирихле предела не имеет, следовательно, разрывная в каждой точке.
Пример 8. f (x) = E(x) = [x] – целая часть x . Очевидно,
lim E(x) = E(n −0) = n −1, n = 0, ±1, ± 2,K
x→n−0
lim E(x) = E(n + 0) = n, n = 0, ±1, ± 2,K
x→n+0
2 |
|
1 |
|
1 |
2 |
Функция E(x) терпит разрывы в точках n = 0, ±1, ± 2... Но в этих точках она непрерывна справа, так как
lim E(x) = E(n + 0) = n. |
|
|
x→n+0 |
f (x) определена на |
|
Определение 3. Пусть функция |
интервале |
|
(a,b). Если функция разрывная |
в точке x0 (a,b) |
и если |
129 |
|
|
односторонние пределы существуют, но f (x0 − 0) ≠ f (x0 + 0), то точку разрыва x0 называют точкой разрыва первого рода.
Разность f (x0 + 0) − f (x0 − 0) = h называют скачком.
Если f (x0 −0) = f (x0 + 0) ≠ f (x0 ), то точку x0 называют точкой устранимого разрыва. Все остальные точки разрыва называются
точками разрыва второго рода. |
|
Например, разрывы функции |
примера 8 первого рода, скачок |
h =1. |
устранимый. Полагая f (0) =1, |
Разрыв функции примера 6 |
получим непрерывную функцию. Разрывы функций примеров 4, 5, 7 второго рода.
Следствие 3. Так как x0 |
= lim x, то условие непрерывности (1) |
|
можно переписать так: |
x→x0 |
|
|
(1 ) |
|
lim f (x) = f ( lim x) , |
||
x→x0 |
x→x0 |
′ |
|
то есть, если f непрерывна в предельной точке x0 , то символы lim и f можно поменять местами.
Следствие 4. Пусть функция f (x) определена на интервале (a,b)
и пусть точки x0 , x = x0 + ∆x (a,b). Если ∆x – приращение аргумента, |
||
а ∆y = f (x0 + ∆x)− f (x0 ) – приращение функции в точке |
x0 , то |
|
условие непрерывности (1) можно переписать так: |
|
|
lim ( f (x) − f (x0 )) = 0 или |
lim ∆y = 0 . |
(1") |
x→x0 |
∆x→0 |
|
То есть, если в предельной точке бесконечно малому приращению аргумента ∆x соответствует бесконечно малое приращение, то функция непрерывна в этой точке. Наоборот, если функция непрерывна, то бесконечно малому приращению аргумента соответствует бесконечно малое приращение функции.
Пример 9. Убедиться, что функция y = sinx, E = R1 непрерывна
на всей числовой оси. |
∆x |
|
∆x |
|
Решение. ∆y = sin(x + ∆x) − sinx = 2sin |
||||
2 |
cos x + |
. |
||
|
|
2 |
Поскольку sinx ≤ x − (см. пример 6 §2), то
∆y = 2 sin ∆2x cos x + ∆2x ≤ 2 ∆2x 1 = ∆x ,
130