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

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЕ ИСЧИСЛЕНИЕ Трофимов Агульник

.pdf
Скачиваний:
103
Добавлен:
11.04.2015
Размер:
2.86 Mб
Скачать

Доказательство эквивалентностей 7 и 8 предоставляем читателю в качестве самостоятельного упражнения.

§3.9. Вычисление пределов с помощью эквивалентных величин

Приведенный выше список эквивалентностей играет существенную роль при вычислении пределов. Следующие теоремы обосновывают это применение.

Теорема

3.17.

Если f (x) f1 (x)

и

g (x) g1 (x), при

x x0 , то из

существования

предела

f1 (x)

 

при

x x0 ,

следует

существование

g1 (x)

 

 

f ( x)

 

 

 

 

 

 

 

 

предела

 

при x x , и справедливо равенство

 

 

 

 

 

g (x)

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lim

f ( х)

= lim

f1 ( x)

.

(3.7)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

хх0

g ( х)

xx0

g1

( x)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Доказательство. Рассмотрим левую часть равенства (3.7). Выражение, стоящее под знаком предела, умножим и разделим на f1 (x) g1 (x). Тогда получим

 

 

lim

f (х)

 

= lim

f (x) f1(x) g1(x)

.

 

 

g(х)

 

 

 

хх0

xx0

g(x) f1(x) g1(x)

 

 

 

 

 

 

Преобразуем правую часть этого последнего равенства. Учитывая, что, по

условию, lim

f1 (x)

существует,

и,

воспользовавшись тем, что предел

g1 (x)

xx0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

произведения равен произведению пределов при условии, что предел каждого компонента существует, получаем:

 

 

 

lim

f (x) f1 (x) g1(x)

= lim

f (x)

lim

g1(x)

lim

f1(x)

.

 

(3.8)

 

 

 

 

 

 

f1(x)

g(x)

 

 

 

 

xx0

g(x) f1

(x) g1(x)

xx0

xx0

xx0

g1(x)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Так как

f (x) ~ f1 (x),

g1 (x) ~ g (x) при x x0 , то

в правой части

(3.8)

lim

f (x)

=1 и lim

g1 (x)

=1. Следовательно, правая часть (3.8) равна lim

 

f1 (x)

.

xx0

f (x)1

xx0

g(x)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xx0

g1 (x)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таким образом lim

 

f (x)

= lim

f1(x)

. Теорема доказана.

 

 

 

 

 

 

 

g(x)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xx0

xx0

g1(x)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Эффективность этой теоремы проиллюстрируем на следующем примере.

Пример 3.3. Вычислить lim

arcsin x (e x 1)

.

 

 

 

 

 

 

 

x 0 cos x cos 3 x

 

 

 

 

 

 

Решение.

Воспользовавшись

таблицей

эквивалентности,

имеем:

arcsin x ~ x; e x 1 ~ x; cos x cos 3x = 2 sin x sin 2 x 4 x 2 . Тогда получаем:

 

 

 

lim

arcsin x (e x 1)

= lim

x 2

=

1

;

 

 

 

 

cos x cos 3 x

4 x 2

4

 

 

 

x 0

 

x 0

 

 

 

Итак, вычисление пределов существенно можно упростить, если заменить исходную функцию на эквивалентную ей. Приведем критерий эквивалентности функций.

51

Теорема 3.18 (Критерий эквивалентности). Для того чтобы функции

f (x) и

g (x) были эквивалентными при

 

x x0 ,

 

 

 

необходимо и достаточно,

чтобы

f (x) = g(x) + o(g(x)) .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Доказательство. Необходимость. Пусть f (x) и g( x)

 

эквивалентны,

тогда по

определению

 

lim

 

f ( x)

= 1 ,

 

и

на основании

теоремы о

связи предела и

 

g ( x)

 

 

x x0

 

 

 

 

f (x)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

бесконечно малой, получаем:

 

=1 + α(x) , где α(x)

 

– бесконечно малая при

 

g(x)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

но lim α(x)g(x) = lim α(x) = 0 . То есть

x x . Отсюда f (x) = g(x) + α(x) g(x) ,

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xx0

 

g(x)

 

 

 

xx0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

α(x) g(x) = o(g(x)),

 

 

откуда

 

f (x) = g(x) + o(g(x)) .

 

Первая

часть

теоремы

доказана.

 

 

 

 

 

 

 

 

f (x) = g(x) + o(g(x)) .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Достаточность. Пусть

 

Разделив обе части последнего

равенства на g(x) и учитывая,

 

что lim

o(g(x))

 

= 0 ,

 

получаем

lim

 

f (x)

=1, а это

 

 

g(x)

 

g(x)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xx0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xx0

 

 

 

означает, что

f (x) g (x) при x x0 . Теорема доказана полностью.

 

 

 

Эта теорема позволяет эквивалентные функции при x 0 записать в виде:

1. sin x = x + o(x);

 

 

 

 

2.

 

tg x = x + o(x);

 

 

 

 

 

 

 

 

3. arcsin x = x + o(x);

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

х2

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

4. arctg x = x + o(x);

 

 

 

 

5. cos x =1

 

 

 

 

 

+ o(x

 

) ;

 

 

6. e

 

 

 

1 = x + o(x);

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

7. ln (1+ x) = x + o(x) ;

 

8. (1 + x)α =1 + αx + o(x ).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Приведём примеры использования этих результатов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e x

 

 

1 +

 

x

 

 

 

 

 

 

x

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e

1 + x

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пример 3.4. lim

 

 

 

 

 

 

 

= lim

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= lim

 

3

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

2 arctg x arcsin x

 

 

2 x x

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

x 0

 

 

 

x 0

 

 

 

 

 

x 0

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

1

 

 

 

 

1

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

cos x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

x

 

x

2

 

 

 

1 +

 

x

x

2

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

x ln(1+ x) = lim

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пример 3.5. lim

 

 

 

:

 

 

 

 

= e

2 : e

+ 2 =

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x 0

 

 

 

 

 

 

 

 

x0

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e

 

 

ch x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

§3.10. Односторонние пределы

 

 

 

 

 

 

 

 

Вычислим предел функции

 

f (x) ,

когда аргумент х стремится к

x0 , но

причём х остается меньше x0 . В этом случае мы будем говорить о пределе

функции слева, т.е. левостороннем пределе и записывать это так: lim f (x) .

xx0 0

Предел справа (правосторонний предел) определяется как предел функции f (x) , когда х стремится к x0 , но при этом х больше, чем x0 . Правосторонний

предел обозначается lim f (x) .

xx0 + 0

52

 

 

2x 1

 

при x < 0;

Пример 3.6. Функция задана кусочно: f (x) =

 

при x > 0.

Найдём односторонние пределы в точке 0:

2x +1

 

 

 

 

 

 

 

lim

f (x) = lim (2x 1) = −1 ;

lim

0

f (x) = lim (2x +1) =1.

x00

x0

x0

+

 

x

0

Пример 3.7. Найти односторонние пределы функции

 

1

в точке 0.

f (x) = 2

x

 

 

 

lim

1

 

 

 

Решение.

lim

f ( x) =

 

 

т.е. левосторонний предел существует и равен

2x00

x

= 2−∞ = 0 ,

 

x00

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

нулю; lim

f (x) =

lim

 

 

 

 

 

2x0+0 x

= 2+∞ = ∞ , т.е. правосторонний предел не существует.

x0+

0

 

 

 

 

 

 

Совершенно очевидно, что функция

f (x) имеет предел в точке x0 , если

левосторонний и правосторонний пределы функции в этой точке равны:

 

 

 

 

lim f (x) =

lim

f (x) = lim f (x) .

 

 

 

 

xx0 0

xx0 +0

xx0

Для закрепления материала решите самостоятельно следующие примеры и задачи.

3.1. lim 5x3 x2 +1 ;

x→∞ 7x3 + x

3.4

lim

 

 

 

5x2 + 7x

 

 

 

 

 

 

x2 + 7 ;

 

x→∞ x4

3.7

lim

 

 

x2

+ x 5

 

 

 

 

 

 

+ x4 3x ;

 

x→∞ x2

3.10

lim

 

 

 

 

 

3x3 1

 

5x3 + x2 4 ;

 

x→∞

3.13.

lim

 

 

 

x2 + x 12

 

 

x

2

+ 5x 6

 

x3

3.16

lim

 

3x2

+ 8x 3

 

 

 

 

 

 

x2 + 3x

 

x→−3

 

 

 

 

 

3.19

lim

 

 

 

 

 

8x3 1

 

 

 

 

 

 

 

5x +1

 

x1 2 6x2

3.22

lim

x2

x 2

 

3

+ 2x x2

 

x →−1

 

 

 

 

 

3

 

 

+1

3.25.

lim

 

 

1 + 2x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x→−1

 

 

2

+ x + x

 

 

 

 

 

 

 

 

3.28lim x 1 2 x 5x5

3.2.

lim

 

x3 x

 

 

3x2 +1 ;

 

x→∞ x4

3.5

lim

 

 

x2 + x +1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(x

1)2 ;

 

x→∞

 

 

 

 

3.8

lim

 

5x2

+ 3x 1

;

 

 

 

x5 + x2

 

x→∞

 

 

 

 

3.11

lim

6x2

4x + 4

 

 

 

8x2

+ x + 4 ;

 

x→∞

 

 

3.14.

lim

x2

+ x 12

 

4 3x x2

 

 

x→ −4

 

3.17

lim

 

 

 

20 + x x2

 

3x2 11x 20

 

x5

3.20lim 3x2 x 10

x 2 6 x x2

3.23

lim

2x2 + x 10

2 + x x2

 

x2

3.26.limx→∞ (x x2 x +1)

 

lim

 

 

 

3.29

x + a

x

 

x→∞

 

 

 

 

3.3.

lim

5x2 1

;

2x2 + 3x + 4

 

x→∞

3.6

lim

 

5x2 4x +1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3x2 + x 4 ;

 

x→∞

 

3.9

lim

 

 

5x3 x2 +12x

;

 

 

 

3x2 + x

1

 

 

 

 

 

x→∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x 2

+ 3 x 2 x 3

 

3.12

lim

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

;

 

 

 

 

3( x + 1)

2

 

 

 

 

 

 

 

 

x → ∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.15.

lim

 

x2 + x 2

 

 

x3 x2 x +1

 

 

x1

 

3.18

lim

x 2

 

9 x + 18

 

 

2 x

2

+ x 21

 

 

x 3

 

 

 

3.21

lim

x2 + 6x 16

 

 

2x

2

+ x 10

 

 

x2

 

 

 

 

3.24

lim

 

 

x2 2x 8

 

 

 

2x2 + x 36

 

 

x4

 

 

lim

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.27.

 

 

22 x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x→−3

1

 

 

4 + x

 

 

limx→∞ (

 

 

x )

 

3.30

 

x2 +1

 

53

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.31.

lim

 

 

 

2x

 

 

 

3.32.

lim

3 1+ 3x2 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x2 2 2x x2

 

 

 

x0

 

 

 

x2 + x3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x2 +1 1

3.34.

lim

 

 

 

 

 

x2 +1 1

 

3.35.

lim

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x2 + 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x0

 

 

 

 

2

 

 

x0

 

x2 +16 4

3.37.

lim

 

arctg 2x

 

 

3.38.

lim

sin2 5x

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

2

3x

 

x0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x0 tg

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.40.

lim

 

 

 

tg kx

 

 

3.41.

lim

 

 

2 arcsin x

 

 

sin mx

 

 

 

 

 

 

 

3x

 

x0

 

 

 

 

x0

 

 

 

 

3.43.

lim

1 cos 2 x

 

3.44.

lim (xctg x)

 

 

 

 

x sin x

 

 

 

x0

 

 

 

 

 

 

 

x0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.46.

lim

 

1cos2 x

 

3.47.

lim

sin αx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2x2

 

 

 

x0

 

 

 

 

 

 

 

 

x0

sin βx

3.49.

lim

(

x

(

ln(2a + x) ln(a + x)

))

 

 

 

 

 

 

 

3.50.

 

 

x→∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.51.

lim(1 + 2 sin x)ctg 2 x

 

 

 

 

 

 

 

 

3.52.

 

 

 

x0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.33.

lim

 

 

 

 

x 2

3

 

 

 

 

 

 

x2 25

 

 

 

 

 

x5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

3.36.

lim

 

 

 

 

x + 6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

2

5 2

 

 

 

 

 

x 3

 

 

 

 

 

3.39.

 

 

lim

 

 

sin 2x

 

 

 

 

arcsin x

 

 

 

 

 

x0

 

 

3.42.

 

lim

tg x sin x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x0

 

 

 

 

 

 

x3

 

3.45.

 

lim

1cos x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x0

x sin x

 

3.48.

 

lim

 

 

 

 

xtg 2 x

 

 

 

 

1 cos 2 x

 

 

 

 

 

x 0

 

 

 

3x + 4 x+2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lim

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x→∞ 3x +

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

x2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lim 1+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x→∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.53.

lim x

(ln(x) ln(x + 2))

 

x→∞

 

 

 

 

 

 

3.55.

lim

((

 

 

)(

 

))

 

 

2x +1 ln(x + 3) ln(x)

 

 

x→∞

 

 

 

 

 

 

3.57.

lim [(3x + 5)(ln(x + 5) ln(x))]

 

x→∞

 

 

 

 

 

3.59.

lim x

(

ln(x +1) ln(x)

 

 

x→∞

 

 

 

)

 

 

 

 

 

 

 

 

3.54. lim(1+ tg x)ctg x

x0

x2 +1 x2

3.56. lim x→∞ x2 1

3.58.

l i m

3

+

2 x

2 x

 

 

 

 

 

4

+

2 x

 

x → ∞

 

 

 

 

1 + 3 x 2 x

3.60. lim

 

 

 

x → ∞

 

2 + 3 x

54

Глава 4. Непрерывные функции и их свойства

§4.1. Непрерывность функции в точке

Определение 4.1. Функция f (x) , определенная в некоторой окрестности точки x0 , является непрерывной в точке x0 , если для любой последовательности {xn},

такой, что lim x

n

= x , выполняется соотношение lim f (x

n

) = f (x

).

n→∞

0

n→∞

0

 

На практике удобно использовать следующие 3 условия непрерывности функции f (x) в точке x = x0 :

1)функция f (x) определена в точке x0 ;

2)предел слева и предел справа функции f (x) в точке x0 равны;

3)общее значение пределов слева и справа равно значению функции в точке x0 .

Запишем это определение в виде формулы:

lim

f (x) = lim f (x) = f ( x0 ) .

xx0 0

xx0 + 0

Приведенное определение непрерывности равносильно приведенному

ниже определению непрерывности на языке « ε − δ».

Определение 4.2. Функция f (x)

называется непрерывной в точке x0 , если для

всякого ε > 0 , существует δ > 0 такое, что для всех х, для которых x x0 ≤ δ,

выполняется неравенство f (x) f (x0 ) < ε.

Следует особо подчеркнуть, что в определении непрерывности, в сравнении с определением предела, рассматривается полная, а не «проколотая»

окрестность точки

x0 , и предел функции в точке x0 есть не что иное, как

значение функции в этой точке.

Если

разность

x x0

= ∆x мы называем приращением аргумента, а

разность

f (x) f (x0 ) = ∆y

- приращением функции, то из определения и 4.1, и

4.2 следует, что для непрерывной функции всегда выполняется равенство

lim y = 0 .

x0

Таким образом, непрерывность функции в точке означает, что бесконечно малому приращению аргумента соответствует бесконечно малое приращение функции.

Замечание. Определение 4.1 называют определением непрерывности функции по Гейне, а определение 4.2 называют определением непрерывности по Коши.

Как показано в [1], эти определения равносильны в принятой нами концепции числа.

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

Пример 4.1. Доказать непрерывность функции

x sin

 

,

x 0

.

x

f ( x) =

 

 

 

 

 

 

 

 

0,

 

 

 

x = 0,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение.

Функция

f (x) непрерывна на

интервале

(−∞;0) (0;+∞). Исследуем

поведение

функции

в окрестности точки

x = 0 , для

чего

найдём левосторонний и

55

правосторонний пределы функции в этой точке. Примем во внимание, что

sin

1

 

1, т.е.

x

 

1

 

1

 

1

 

 

 

 

sin

– ограниченная функция. Следовательно, lim xsin

= lim xsin

= 0

. Но

 

f (0) = 0

x

x

x

 

 

x→−0

x→+0

 

 

 

 

 

и, таким образом, согласно определению 4.1, функция непрерывна в точке x = 0 , а значит, и на всей числовой оси.

§4.2. Точки разрыва и их классификация

Если в точке x = x0 не выполнено хотя бы одно из условий определения непрерывности 4.1, то говорят, что в этой точке функция f (x) терпит разрыв. При этом возможны следующие случаи:

Устранимый разрыв. В точке x = x0 предел функции слева равен пределу справа, но не равен значению f (x0 ) , или значение функции f (x) в точке x = x0 не определено:

 

lim

f (x) = lim f (x) f (x0 ).

 

 

xx0 0

 

xx0 +0

 

 

 

y

 

В этом случае, мы говорим, что в точке

 

x = x0

функция

f (x)

умеет

устранимый

 

 

разрыв. Графически этот факт представлен на

 

 

рис.4.1.

 

 

 

 

 

Разрыв называется устранимым, потому

 

 

что его можно устранить. Другими словами,

 

 

функцию f (x)

можно сделать непрерывной,

x0

x

если доопределить (или переопределить) её в

Рис. 4.1

 

точке x = x0 , положив

 

 

 

 

f (x0 ) = lim

f (x) = lim f (x) .

 

 

 

 

 

 

 

xx0 0

xx0

+0

Разрыв первого

рода. Если в точке

 

 

x = x0

пределы слева и справа для функции

y

 

f (x)

существуют, но не равны, то говорят,

 

 

что в этой точке функция имеет разрыв

 

 

первого рода:

 

 

 

 

lim f (x) lim f (x) .

 

 

 

xx0 0

xx0 +0

 

 

Графически это выглядит следующим

x0

x

образом (рис.4.2). В этом случае не важно,

Рис. 4.2

 

определено или нет значение функции в

 

 

 

точке разрыва. Например, функция sign(x) (знак числа), определенная в §3.11,

имеет разрыв I рода в точке x = 0 . Иногда разрывы I рода называют скачками

функции.

 

 

 

 

 

56

 

 

Разрыв второго рода. Если в точке x = x0 ,

хотя бы один из пределов либо

справа, либо слева равен бесконечности или не существует, то в этой точке

функция

f (x) имеет

разрыв второго

рода.

Графически

это

может

быть

иллюстрировано рисунками 4.3 – 4.6. Обратим внимание на рис.4.6. Это график

функции sin 1 . В точке x = 0 предел этой функции не существует.

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

x

 

Рис. 4.3

 

 

 

 

Рис. 4.4

 

 

 

 

y

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

x

 

 

Рис. 4.5

 

 

 

 

Рис. 4.6

 

 

 

Рассмотрим несколько функций, которые

 

 

 

 

 

хотя и не являются элементарными, но, тем не

 

 

y

 

 

менее, заслуживают интерес с точки зрения

 

2

 

 

 

непрерывности.

 

 

 

 

1

 

 

 

Функция «знак числа» определяется так:

 

 

 

 

–2

–1

0

 

 

 

 

1, при x < 0,

 

 

 

 

 

 

 

 

1

2

x

 

sign (x) =

0, при x = 0,

 

 

 

 

 

 

 

–1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

–2

 

 

 

 

+1, при x > 0.

 

 

 

 

 

Эта функция определена и непрерывна для всех

 

Рис.4.8

 

 

значений

аргумента

за

исключением

точки

 

 

 

 

 

 

 

 

x = 0 , в которой функция sign (x) терпит разрыв I рода – скачок.

 

 

Заметим следующее свойство этой функции:

 

 

 

 

 

 

 

 

x = x sign (x).

 

 

 

 

 

 

 

 

57

 

 

 

 

 

 

Функция «целая часть числа» определена для всех чисел и равна

наибольшему

целому,

не превосходящему это число. Обозначается

entier (x) = E (x) =[x]

(читается «антье x»). Целая часть числа удовлетворяет

двойному неравенству

 

 

[x] x <[x] +1.

 

 

 

 

 

 

[

 

]

 

 

 

[

 

 

 

 

Например,

3,14

= 3;

5

= 5;

2,5

 

= −3. График функции приведен на рис.4.8.

 

 

 

 

[ ]

 

]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Очевидно, функция разрывная во всех целых точках, причем в каждой из них

скачок функции равен +1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Функция «дробная часть числа» есть разность между числом и его целой

частью:

 

 

 

 

 

 

 

 

frac

(

x

)

=

{

x

= x

[

x

]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

}

 

 

 

 

 

Например, {3,14} = 0,14;{5} = 0; {4,25} = 0,75 . Таким образом, целая и дробная

часть числа связаны соотношением:

 

[

 

]

 

{

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x =

x

+

x .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

}

 

 

 

 

 

График функции представлен на рис.4.9.

Функция frac(x) также разрывная

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

при каждом целом значении аргумента,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

причем скачок функции в каждой из них

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

равен 1. Интересно также, что эта

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

функция периодична, период её равен 1.

–2

–1

 

0

1

 

2

 

x

 

 

 

 

 

 

 

Функции

entier (x), frac(x)

находят

 

 

 

 

 

 

применение не только в математическом

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.4.9

 

 

 

 

 

 

анализе, но в теории чисел, в теории

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

рекурсивных функций.

 

§4.3. Свойства функций, непрерывных в точке и на интервале

Сформулируем ряд свойств непрерывных функций. Доказательства этих свойств выходит за рамки нашего курса. Строгие доказательства имеются в полных курсах математического анализа (см. список литературы в конце настоящего пособия).

Свойство 4.1 (ограниченность непрерывной функции). Если функция f (x)

непрерывна в точке x0 , то она ограничена в некоторой окрестности этой точки, т. е. существуют δ > 0 и C > 0 такие, что для всех x, для которых x x0 < δ выполняется неравенство f (x) < C

Свойство 4.2 (непрерывность суммы, произведения и частного непрерывных

функций). Если функции

f (x)

и g (x) непрерывны в точке x0 , то функции

f (x) + g (x) , f (x) g (x),

f (x)

,

(g(x) 0)

– непрерывны в точке x .

 

 

g(x)

 

0

 

 

 

Свойство 4.3 (знакоопределенность непрерывной функции). Если функция

f (x)

непрерывна в точке x0 и при этом f (x) 0 , то в некоторой окрестности

точки

x0 знак функции совпадает со знаком числа x0 т. е. существует δ > 0,

58

такое что для всех x , для которых

 

x x0

 

< δ

выполняется

равенство

 

 

sign f (x) = sign f (x0 ).

 

 

 

 

 

z = f ( y)

Свойство 4.4 (непрерывность сложной функции).

Если функция

непрерывна в точке y = y0 , а функция y = ϕ(x) непрерывна в точке x = x0 при этом y0 = ϕ(x0 ), то в некоторой окрестности точки x0 определена сложная функция f (ϕ(x)), которая непрерывна в точке x = x0 .

Определение 4.3. Функцию f (x) назовем непрерывной на отрезке [a,b], если

она непрерывна в каждой точке интервала, а также непрерывна справа в точке x = a и слева в точке x = b .

Для непрерывных на отрезке функций справедливы нижеследующие утверждения

Теорема 4.1 (об ограниченности непрерывной на отрезке функции). Если

функция f (x) непрерывна на

отрезке [a,b],

то она ограничена, т. е.

существует постоянная

C > 0 ,

такая что для

любого x из отрезка [a,b]

выполняется неравенство

 

f (x)

 

< C .

 

 

 

 

Замечание. Теорема 4.1 неверна для промежутка, не являющегося отрезком.

Например, функции f (x) = ln x , f (x) = x12 непрерывны на интервале (0;1), но

не ограничены на этом интервале.

Теорема 4.2 (о достижении наибольшего и наименьшего значения). Если функция f (x) непрерывна на отрезке [a,b], то она достигает своего

наибольшего и наименьшего значения на этом отрезке.

Замечание. Функция, непрерывная на интервале, может не достигать своих наибольших и наименьших значений. Например, функция y = x не достигает на

интервале (0,1) своего наименьшего значения, равного нулю и не достигает наибольшего значения, равного единице.

Теорема 4.3 (о нулях непрерывной функции). Если функция f (x) непрерывна на отрезке [a,b] и на концах принимает значения разных знаков, то на отрезке [a,b] существует точка x = x1 такая, что f (x1 ) = 0 .

Теорема 4.4 (о промежуточных значениях). Если функция f (x) непрерывна на отрезке [a,b] и m, M – соответственно наименьшее и наибольшее значение функции на этом отрезке, то для любого числа y0 такого, что m y0 M , существует точка x0 [a,b], что f ( x0 ) = y0 .

Теорема 4.5 (о существовании обратной функции). Если функция y = f (x)

непрерывна и монотонно возрастает (убывает) на отрезке [a,b], то на

отрезке f (a), f (b)

определена функция x = g ( y), обратная к f непрерывная

 

 

 

и монотонно возрастающая (убывающая).

59

Теорема 4.6 (о непрерывности элементарных функций). Всякая

элементарная функция f (x) непрерывна во всех точках, где она определена.

Пример 4.2. Исследовать функцию на непрерывность: найти точки разрыва, определить их

характер, выявить интервалы непрерывности.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ π x ≤ −π

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

− π < x <

 

 

 

 

 

f ( x) = sin x

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

1

 

 

2

 

 

 

Решение.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Каждая из частей функции y = x + π, y = sin x и y =1 - непрерывны в своей области

определения, и даже на всей числовой оси. Поэтому подозрительными на разрыв являются

точки, в которых «склеиваются» эти части: x = −π и x = π . Исследуем поведение функции

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

в окрестности каждой из этих точек, т.е. вычислим односторонние пределы и значения

функции в точках:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Для x = −π имеем:

 

(x + π) = 0 ; f (−π + 0) =

 

(x + π) = 0 ;

 

f (−π − 0) =

lim

lim

f (−π) = 0 .

 

x→−π−0

 

 

 

 

x→−π+0

 

 

Поскольку все три значения равны,

то

заключаем:

функция

непрерывна в точке

x = −π.

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Аналогично, для x =

имеем:

 

 

 

 

 

 

 

 

π

 

2

 

 

π

 

 

 

 

π

 

0

 

 

 

+ 0

 

= lim 1 =1;

 

f

= lim sin x =1;

f

2

 

f

=1.

2

 

 

xπ0

 

 

 

xπ+0

2

 

 

 

 

2

 

 

 

 

2

 

 

И на этот раз все три значения равны. Вывод: функция непрерывна и в точке x = π .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−π

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 4.7

 

 

 

 

 

Таким образом, данная функция непрерывна на всей числовой оси. График функции

приведен на рис.4.7.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Для закрепления материала решите самостоятельно следующие примеры и задачи.

Найти точки разрыва функции, установить их род, доопределить функцию до непрерывности в точках устранимого разрыва.

60