Вопрос 43 непрерывность функции на отрезке

Наряду с непрерывностью функции в точке рассматривают ее непрерывность на разных промежутках.

Функция f(x) называется непрерывной на интервале (a, b), если она непрерывна в каждой точке этого интервала.

Функция f(x) называется непрерывной на отрезке [a, b], если она непрерывна на интервале (a, b), непрерывна справа в точке a и непрерывна слева в точке b.

Замечание. Функция, непрерывная на отрезке [a,b] может быть разрывной в точках a и b (рис. 1)

Множество функций, непрерывных на отрезке [a, b] обозначается символом C[a, b].

Свойства функций, непрерывных на отрезке

Теорема 1 (об ограниченности непрерывной функции). Если функция f(x) непрерывна на отрезке [a, b], то она ограничена на этом отрезке, т.е. существует такое числоC> 0, что x  [a, b] выполняется неравенство |f(x)| ≤ C.

Теорема 2 (Вейерштрасс). Если функция f(x) непрерывна на отрезке [a, b], то она достигает на этом отрезке своего наибольшего значения M и наименьшего значения m, т.е. существуют точки α, β  [a, b] такие, что m = f(α) ≤ f(x) ≤ f(β) = M для всех x  [a, b] (рис.2).

Наибольшее значение M обозначается символом max_{x  [a, b]} f(x), а наименьшее значение m — символом min_{x  [a, b]} f(x).

Теорема 3 (о существовании нуля). Если функция f(x) непрерывна на отрезке [a, b] и на концах отрезка принимает ненулевые значения разных знаков, то на интервале (a,b) найдется по крайней мере одна точка ξ в которой f(ξ) = 0.

Геометрический смысл теоремы состоит в том, что график функции, удовлетворяющей условиям теоремы, обязательно пересечет ось OX (рис.3).

Замечание. На этой теореме основан метод приближенного решения уравнения

 

f(x) = 0,

(1)

 

называемый методом бисекции (дихотомии), или методом половинного деления.

Схема решения уравнения методом половинного деления

1. Отделяем корни уравнения (1). Для этого устанавливаем промежутки, в которых функция f(x) имеет единственный нуль и на его концах принимает значения разных знаков. С этой целью используем графические построения или составляем таблицу значений функции. Обозначим такой отрезок символом σ₀.

2. Разделим этот отрезок пополам. Если в середине отрезка функция f(x) равна нулю, уравнение (1) решено. В противном случае на концах одного из полученных половинных отрезков f(x) вновь принимает значения разных знаков. Обозначим этот отрезок символом σ₁ и вновь разделим его пополам. Если в середине σ₁ функцияf(x) равна нулю, то уравнение (1) решено. В противном случае продолжим указанную процедуру. Таким образом, мы либо на каком–то этапе получим точку, в которой f(x) = 0, т.е. точное решение уравнения (1), либо получим последовательность вложенных друг в друга отрезков σ₀  σ₁  … , на каждом из которых f(x) имеет значения разных знаков. В этом случае можно заключить искомый корень уравнения (1) в промежуток произвольной длины и, следовательно, вычислить этот корень с любой заданной точностью.

Замечание. Метод неприменим для отыскания корней четной кратности.

Теорема 4 (Больцано–Коши). Если функция f(x) непрерывна на отрезке [a, b], то она принимает на (a,b) все промежуточные значения между f(a) и f(b).

Cуществование непрерывной обратной функции

Пусть функция y = f(x) определена, строго монотонна и непрерывна на отрезке [a,b]. Тогда на отрезке [α, β] ( α = f(a), β = f(b) ) cуществует обратная функция x = g(y), также строго монотонная и непрерывная на отрезке (α, β).