Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

matem-up1

.pdf
Скачиваний:
316
Добавлен:
14.02.2015
Размер:
1.73 Mб
Скачать

точку M1(1, –1, –1), причём одна плоскость содержит ось OX, а

другая – ось OZ.

17. Написать уравнение плоскости, зная, что точки

A(4, 0, –3) и B(1, –5, 2) симметричны относительно этой плоско

сти.

18. Составить уравнения прямой, проходящей через точку

uuuuuuur

M1(5, 3, 4) параллельно вектору M2 M3 , где M2(–1, 1, 5),

M3(1, 6, –3).

19. Найти уравнения прямой, проходящей через точку

(2, –5, 3):

а) параллельно оси OZ;

б) параллельно прямой x 41 = y62 = z +9 3 ;

2 x y + 3 z 1 = 0,

в) параллельно прямой 5 x + 4 y z 7 = 0.

20. Составить уравнения прямой L, лежащей в плоскости

OYZ, проходящей через начало координат и перпендикулярной

прямой

2 x y = 2, L1 : y + 2z = −2.

21. Найти точку A пересечения прямой L, проходящей через

точки M1(–3, –9, –6) и M2(1, –1, –2), с плоскостью

167

P : 4x – 3z – 5 = 0.

10. Ответы к упражнениям

1. а) 2 x + 3 y + 4 = 0 ; б) x 2 y + 2 = 0 ; в) x 1 = 0 ;

 

 

 

 

 

 

 

 

г) x y 1 = 0 ; д) 2 x + y 5 = 0 ; е) x + y 1 = 0 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

33

 

 

22

 

 

30

 

 

 

2. а) 2 x y = 0 ; б) 3 x + 4 y + 11 = 0 ; в) M

 

 

 

 

,

 

 

; г)

 

 

 

 

 

 

.

17

17

 

 

13

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. 4 x 11 y + 43 = 0 .

 

4. x y 7 = 0 , x 2 y 10 = 0 .

 

 

 

 

 

 

 

 

5. 3 x + 2 y 4 = 0, 3x + 2 y + 22 = 0 .

 

6. а) λ = 2 ; б) λ = −

2

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

7. 45o .

 

8. а) a = 3, b = 2 ; б) F1 (5 , 0), F2

 

( 5 , 0); в) ε =

 

5

.

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9. а)

 

x2

y2

 

= 1 ; б)

 

x2

y2

= 1

; в)

 

x2

y2

 

 

= 1 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

9

 

9

16

36

64

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10. а)

 

y2

= ±12 x ; б)

 

y2 = −16 x ;

в) x2 = 8 y .

 

 

11. x2 + y2 = 4 .

 

12. а)

(

x 3

2

+

(

y+4

)

2

=25;

б) (x +2)2

+ (y 1)2

=1 ;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

)

 

 

 

 

 

 

 

 

16

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

в) (x+3)2

y2

=1; г) (y 1)2 = 10 (x + 2).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

13. x + y 2z + 4 = 0 , r =

1,5 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

14. а)

 

9 y z 2 = 0 ;

б) 2 x y z = 0 ; в) x ±

 

 

26 y + 3z 3 = 0 .

 

15. 5 x + 14 y 74z + 31 = 0 . 16. 60o .

17. 6 x + 10 y 10z + 5 = 0 .

 

168

18.

 

 

x 5

=

 

y 3

=

z 4

. 19. а)

{xy +

52 ==

00 ;

 

 

 

 

2

 

 

 

 

5

 

8

 

 

 

б)

x 2

=

 

y + 5

=

z 3

; в)

x 2

=

y + 5

 

=

z 3

.

 

4

 

 

 

6

 

11

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9

 

 

17

 

13

 

 

20.

 

 

x

=

 

y

=

z

.

21. A(4, 11, 7 ).

 

 

 

 

 

 

0

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

11. Образец контрольного задания

 

1.

 

 

 

 

 

 

Найти

 

 

расстояние

 

 

между

точками

A(2, 4, 5), B (3, 12, 1).

 

 

 

 

 

 

 

 

2.Найти расстояние от точки A(1, 1) до прямой, проходящей через точки B (2, 3) и C (1, 1).

3.Определить угловой коэффициент прямой, лежащей на плоскости OXY и проходящей через точки A(3,7 ), B (1, 3).

4.Найти радиус окружности x2 + y2 + 4 x 10 y 35 = 0 .

5.Составить уравнение плоскости, проходящей через точки

M1 (1, 1, 2), M2 (2, 1, 2), M3 (1, 1, 4).

Вответе указать аппликату точки пересечения этой плоскости с осью OZ.

6.Составить канонические уравнения прямой L, проходящей через точки M1 (2, 2, 3), M2 (1, 0 , 4). В ответе указать зна

чение t, при котором точка M3 (1, 4 , t ) L .

169

7. Найти точку пересечения прямой

x 1

=

y + 1

=

z

с плос

2

1

 

 

 

3

 

костью 2 x y + z + 3 = 0 . В ответе указать наименьшую коор динату этой точки.

8. Определить угол между плоскостями 2 x 6 y 4z + 5 = 0 и 3 x 9 y 6z 1 = 0 .

170

Раздел 5. ПРЕДЕЛ И НЕПРЕРЫВНОСТЬ ФУНКЦИИ

1.Предел функции

1.1.Определение

Мы продолжим изучение функций одной действительной переменной, начатое в разделе 1 «Введение». Напомним, такая функция представляет собой отображение f : D , областью

определения является некоторое множество действительных чисел D . Числа x отождествляются с точками число-

вой прямой, поэтому термины «число» и «точка» в этом разделе означают одно и то же.

Для определения предела функции используется понятие проколотой окрестности. Множество

Uεo (x0 ) ={ x : 0 < x x0 < ε}

называется проколотой ε-окрестностью точки x0 . Другими словами, из окрестности Uε (x0 ) удаляется сама точка x0.

Проколотые окрестности бесконечно удалённых точек +,

не отличаются от обычных.

Точка x0 называется предельной точкой множества D ,

если любая её проколотая окрестность имеет непустое пересечение с D. Предельная точка может принадлежать, а может и не принадлежать множеству. Важно, что к предельной точке можно стремиться, в D есть точки, произвольно близкие к x0.

Введём понятие предела функции f (x) в точке x0. При

этом x0 должна быть предельной точкой области определения D рассматриваемой функции.

Говоря нестрого, то, что число b является пределом функции f (x) в точке x0 , означает: если переменная x, изменяясь,

стремится к x0, то значения функции f (x) стремятся к числу b.

155

Приведём теперь более строгое определение, использующее понятие проколотой окрестности.

Число b называют пределом функции f (x) в точке x0 , ес-

ли для любой окрестности точки b (даже очень маленькой) найдётся такая проколотая окрестность точки x0, что любое число x

из неё переводится функцией f (x) в окрестность точки b.

Обозначение: b = lim f (x).

xx0

Это определение коротко можно записать так:

xx

(

x

)

= b U

ε (

b

)

δ (

0 )

δ

(

0 )

f

(

)

U

ε (

b

)

.

lim f

 

 

 

 

Uo

x

: x Uo

 

x

 

x

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Это достаточно общее определение предела функции, в нём x0 и b не обязательно конечны. Можно дать определение и подругому – как говорят, на языке «ε δ». Но тогда приходится рассматривать несколько случаев. Например, если x0 и b конечны, определение предела можно записать в таком виде:

xx

 

(

 

 

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

(

 

)

 

 

lim f

 

 

x

 

= b ε > 0 δ > 0 : 0 <

x x

<δ

f

 

x

 

b

< ε .

0

Пример 5.1.

Пусть

 

 

f (x) = C

 

– постоянная функция. По-

 

 

 

 

казать,

 

что lim f (x) = lim C = C

 

(предел постоянной равен

 

 

 

 

 

 

 

xx0

 

 

 

 

xx0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

этой постоянной).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение. Действительно, для любого положительного числа

ε и для любого x выполняется

 

 

f (x)b

 

= C C = 0 < ε . По-

 

 

этому в качестве δ

 

можно взять любое положительное число.

 

Пример 5.2. Пусть

f (x)= x . Показать, что

 

 

 

 

 

 

lim

f

(

x

)

= lim x = x

0

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xx

 

 

 

xx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение. Возьмём произвольное число ε > 0 и потребуем,

чтобы

 

 

f (x)b

 

=

 

x x0

 

 

< ε .

Это неравенство будет справед-

 

 

 

 

 

ливо для любого x из Uδo

 

 

(x0 )

, если взять δ = ε .

 

 

 

 

 

 

Пример 5.3. Показать, что lim a x = 1 .

x0

156

Решение. Согласно определению предела, нужно показать,

что

ε > 0 δ > 0 : 0 < x <δ a x 1 < ε .

Решим последнее

неравенство, считая, для определённости,

a > 1 :

 

 

a x 1

 

< ε 1 ε < a x < 1 +ε loga (1 ε )< x < loga (1 +ε ).

 

 

Если в качестве δ

взять любое число, по модулю меньшее каж-

дого из этих логарифмов (см. рисунок), то верно

x <δ loga (1ε)< x <loga (1+ε) 1ε <ax <1+ε ax 1 <ε ,

что и требовалось.

 

δ

δ

 

ε

׀

ε

 

׀

( ׀

) ׀

׀

(

)

׀

loga (1 ε )

0

loga (1 +ε )

1 ε

 

1

 

1 +ε

Конечно, если ε > 1 , то неравенство 1 ε < a x нельзя логарифмировать. Да и не нужно – оно справедливо при любых x.

Если хотя бы одно из x0 , b бесконечно, то для определения предела на языке «ε δ» получаются другие записи. Например, если x0 конечно, а b = +∞ :

lim f (x ) = +∞ N > 0 δ > 0 : 0 <

 

x x0

 

< δ f (x ) > N .

 

 

xx0

 

 

 

 

Рекомендуем читателю записать и другие возможные слу-

чаи.

 

 

Замечание. Нетрудно доказать (проведя рассуждение «от

противного»), что у функции f (x) в точке

 

x0 не может быть

двух разных пределов, т.е. если предел существует, то он единственный. Это доказательство – хорошее упражнение на понимание определения предела.

Введём понятия односторонних пределов. Если x x0 и при этом x < x0 , то говорят, что x стремится к x0 слева и пишут: x x0 0 . Аналогично, если x x0 и x > x0 , то x стремится

157

к

x

0

справа и пишут: x x

0

+ 0 . В таких случаях

lim

f

(

x

)

 

 

 

 

 

xx 0

 

 

называют левосторонним пределом функции f (x)

0

 

 

 

 

в точке x0,

а

lim

f (x) правосторонним пределом.

 

 

 

 

 

 

xx0 +0

 

 

 

 

 

 

 

 

Из определения предела функции следует, что предел существует тогда и только тогда, когда существуют оба односторонних предела и они равны:

lim f (x) = b

f (x0 0) = f (x0 + 0) = b .

xx0

 

Здесь приняты обозначения

f (x0 0), f (x0 + 0) для левосто-

роннего и правостороннего пределов соответственно. Если же

f (x0 0) f (x0 + 0), то lim f (x) не существует.

xx0

Пример 5.4. Показать, что функция

1 sgn x = 0

1

не имеет предела в точке

при x < 0

при x = 0 (функция знака)

при x > 0 x0 = 0 .

Y

 

Решение. Вычислим односторонние пределы

1

в данной точке:

 

= lim (1) = −1,

 

lim

sgn x

 

 

O

X

x00

 

x00

lim

sgn x

= lim 1 = 1.

 

–1

 

x0+0

 

x0+0

Односторонние пределы не совпадают, поэтому lim sgn x не

 

 

 

 

x 0

существует.

 

 

 

Замечание. Обратим внимание на то, что в определении

предела функции

f (x) требуется,

чтобы переменная x, при-

ближаясь к x0, не принимала значения x0. Это делается для того, чтобы значение f (x0 ) не влияло на величину предела. Дейст-

вительно, функция в точке x0 может быть и не определена, а если и определена, то не обязательно предел совпадает со значением функции в предельной точке.

158

1.2. Бесконечно малые и бесконечно большие функции

В теории пределов важную роль играют бесконечно малые и бесконечно большие функции. Рассмотрим эти понятия.

Функция α (x) называется бесконечно малой в окрестности точки x0 (или при x x0 ), если

lim α (x) = 0 .

xx0

Функция β (x) называется бесконечно большой при x x0 , если

lim β (x) = +∞ .

xx0

Между бесконечно малыми и бесконечно большими функциями есть связь.

Теорема 5.1. Если функция α (x) – бесконечно малая в ок-

рестности точки x0 и α (x) 0 , то α (1x) – бесконечно большая в окрестности x0. Обратно: если функция β (x) бесконечно боль-

1

шая, то β (x) – бесконечно малая.

Доказательство следует из определений бесконечно малой и бесконечно большой и равносильности неравенств:

ε > 0 α (x) < ε α (1x) > ε1 .

Приведём ещё некоторые важные свойства бесконечно малых и бесконечно больших функций, которые следуют из их определений.

Теорема 5.2.

1)Сумма, разность, произведение конечного числа беско-

нечно малых в окрестности точки x0 функций – бесконечно малые в этой окрестности.

2)Произведение бесконечно малой на ограниченную в окрестности точки x0 функцию – бесконечно малая.

159

3)Произведение бесконечно большой в окрестности точки

x0 функции на функцию, имеющую в этой точке ненулевой предел – бесконечно большая.

4)Сумма ограниченной в окрестности точки x0 функции и бесконечно большой в этой окрестности – бесконечно большая.

Понятие предела функции (в случае, когда этот предел конечен) может быть сведено к понятию бесконечно малой.

Теорема 5.3 (связь между функцией, её пределом и бесконечно малой).

lim f (x) = b f (x) = b +α (x),

 

xx0

 

 

 

где α (x) – бесконечно малая при x x0 .

 

 

Доказательство.

Действительно,

если

обозначить

f (x)b =α (x), то

 

 

 

lim f (x)=b ε >0 Uo (x0 ): x Uo (x0 ) |α(x)|=| f (x)b|<ε .

xx0

А это равносильно тому, что функция α (x) – бесконечно малая.

1.3. Свойства предела функции

Теорема 5.4 (арифметические свойства предела). Пусть су-

 

 

 

xx

 

 

(

x

)

1

xx

 

(

x

)

2

ществуют конечные пределы

lim f

 

 

= b ,

lim g

 

 

= b . То-

гда:

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

( f (x)± g (x))= b1 ± b2 ;

 

 

 

 

 

 

а)

lim

 

 

 

 

 

 

 

xx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

( f (x) g (x))= b1 b2 ;

 

 

 

 

 

 

б)

lim

 

 

 

 

 

 

 

xx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

f (x)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

в)

lim

=

b1

 

 

, если b

0 .

 

 

 

 

 

 

g (x)

b

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xx0

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Доказательство. По теореме 5.3:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f (x)= b1 +α1 (x), g(x)= b2 +α2 (x),

где α1 (x),α2 (x)

беско-

нечно

малые

функции

 

 

при

 

x x0 .

 

 

Значит,

f (x)± g (x)= (b1 ± b2 )+ (α1 (x)±α2 (x))

. В

силу

теоремы 5.2

160

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]