Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Матанализ Билеты 1 Курс.pdf
Скачиваний:
333
Добавлен:
08.02.2015
Размер:
3 Мб
Скачать
☆

Рассмотрим конкретный пример. Пусть ( ) = 2, ( ) = 2. Забудем про то, что — зависимая переменная. Тогда получим:

( ) = 4 = 4 3 2 = 12 2 2,= 2 2 = 2 2,

′( ) = 2 = 2 = 2 2 · 2 = 4 3 ,

′′( ) = 2 2 = 2 2 = 2 · 4 2 2 = 8 2 2 ̸= 12 2 2.

Как видно, выражение для получилось верным (в силу инвариантности 1 формы), а для

2 нет. Теперь вспомним, что на самом деле = ( ), и воспользуемся формулой 1:

2 = 2 2 +2 2 = 8 2 2 + 4 2 2 = 12 2 2.

3.3 Дифференцирование функции, заданной параметрически

= ( )

 

Пусть { = ( )

. Как было показано ранее, ′( ) = ′′(( )) . Возьмем теперь вторую произ-

водную функции , используя инвариантность первой формы дифференциала:

′′( ) = ( ′( )) = ( ′( ))′ =

(

′′( ))

′

 

 

 

 

 

 

 

( )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

′( )

 

′( )

 

= ′′( ) ′( ) − ′( ) ′′( ).

( ′( ))3

Часть 20

Равномерная непрерывность

1Равномерная непрерывность

Будем говорить, что функция ( ) равномерно непрерывна на множестве E, если

> 0 ( ) > 0 : ′, ′′ E, | ′ − ′′| < | ( ′) − ( ′′)| < .

Вспомним заодно определение непрерывности в точке 0:

> 0 ( , 0) > 0 : E, | − 0| < | ( ) − ( 0)| < .

Можно заметить, что равномерная непрерывность является глобальным свойством функции, в то время как обычная непрерывность — локальным. Действительно, при равномерной непрерывности предъявляется , зависящее от , но не зависящее от . При обычной непрерывности зависит в том числе и от 0, поэтому для каждого предъявляется свое значение

.

Теорема 20.1. Если ( ) равномерно непрерывна на E, то ( ) и непрерывна на E.

Доказательство. Если в определении принять ′ = 0, ′′ = , то получим определение непрерывности в точке 0, что можно сделать для 0 E. [:|||||:]

56

Теорема 20.2. Если ( ) равномерно непрерывна на E, то ( ) также равномерно непрерывна на любом E′ E.

Доказательство. Непосредственно следует из определения.

[:|||||:]

Утверждение 20.3. Если ( ) непрерывна на E, то, вообще говоря, она не является равномерно непрерывной на E.

Доказательство. Приведем контрпример. Пусть ( ) = 2 и E = (1, +∞). Напишем отрицание определения равномерной непрерывности:

0 > 0 : > 0 ′, ′′ (1, +∞), | ′ − ′′| < | ( ′) − ( ′′)| > 0.

 

 

Будем считать, что

= ′,

 

= ′′.

|

( ′)

−

( ′′)

|

=

|

2

2

=

1 −

 

 

 

+

2|

. Возьмем

1

 

2

 

 

 

 

1 −

2|

|

 

2| · |

1

 

 

такое , что | 1 − 2| = 2 .

Заметим, что

| 1 + 2|

может быть сколь угодно большим. Например,

3

 

 

 

 

 

− 2| · | 1 + 2| >

3

 

 

 

[:|||||:]

1, 2 (1, +∞) : | 1 + 2| > .

Тогда получаем, что | 1

2 = 0.

 

Таким образом, обратное утверждение неверно. На рисунке справа изображена некоторая непрерывная функция. Как видно, при одном и том же значении соответствующие -окрестности в точках 0 и ′0 разные. Если же мы хотим увеличить ′ (окрестность ′0) до , то нужно увеличить и соответствующее′. В случае ( ) = 2 для постоянного соответствующее будет неограниченно расти по мере роста . Для равномерной же непрерывности необходимо, чтобы возможно было зафиксировать некоторую и предъявлять ее для любого

.

Однако существуют условия, при которых непрерывная функция является и равномерно непрерывной.

Теорема 20.4 (Теорема Кантора). Если ( ) C[ , ], то ( ) равномерно непрерывна на

[ , ].

Доказательство.

Докажем от противного. Пусть

 

 

0

> 0 :

 

> 0

′, ′′

 

[ , ],

|

′

−

′′

|

<

 

 

>

 

.

Примем =

1

,

где

 

 

 

 

′

 

 

 

 

 

 

 

 

|

( ′)

−

( ′′)

|

 

 

N

. Тогда

 

N

, ′′

 

[ , ]

:

|

′

−

′′

1

 

)

 

0

 

| >

 

 

 

 

′′

 

 

 

 

 

 

 

 

 

и

 

 

 

 

<

|

( ′

−

( ′′)

. Т.к. ′ ,

 

[ , ],

то последовательности

{

′

 

{

′′

 

—

|

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

}

 

 

 

}

 

ограниченные, а значит, { ′ } — подпоследовательность последовательности { ′ },

и { ′′ }

— подпоследовательность последовательности

{

′′

, для которых

 

lim ′

= , lim

′′ = ′.

 

 

 

N |

 

 

 

 

 

 

 

}

 

→∞

→∞

 

Но т.к.

 

 

′

−

′′

|

< 1

, то = ′. ′

и

′′

также лежат на [ , ], где ( ) непрерывна.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Значит,

 

lim ( ′

) =

( ), а

lim ( ′′ ) = ( ′) = ( ). Т.е. lim ( ′ ) =

lim ( ′′ ). Но это

 

→∞

 

 

 

 

 

 

→∞

 

 

→∞

 

 

→∞

 

противоречит тому, что | ( ′

) − ( ′′)| > 0.

 

 

 

 

 

 

[:|||||:]

2Модуль непрерывности и колебание функции на отрезке

Пусть функция ( ) задана на отрезке [ , ]. Тогда величина

( , [ , ]) =

sup | ( ′) − ( )|

 

, ′ [ , ]

57

называется колебанием функции на отрезке

[ , ].

 

 

Модулем непрерывности ( , ) функции

, определенной на отрезке

[ , ], называется

функция

sup | ( ′′) − ( ′)|,

где ′, ′′ [ , ].

 

( , , [ , ]) =

 

 

| ′− ′′|<

 

 

 

Теорема 20.5. ( ) равномерно непрерывна на отрезке [ , ] т.и.т.т., когда выполняется

> 0 ( ) > 0 : 0 < 2 − 1 < , [ 1, 2] [ , ] ( , [ 1, 2]) < .

Доказательство.

Необходимость. Пусть для произвольного > 0 найдется такое > 0, что для всех

1, 2 [ , ], | 1 − 2| < выполняется неравенство | ( 1) − ( 2)| < 2 . В таком случае для произвольных точек , [ 1, 2] получаем

0 < | − | 6 2 − 1 < | ( ) − ( )| <

 

 

.

2

В силу произвольности и имеем

 

 

 

 

 

 

( , [ 1, 2]) =

sup | ( ) − ( )| 6

 

< .

 

 

2

 

, [ 1, 2]

 

 

 

 

 

Достаточность. Пусть > 0 > 0, такое что при 0 < 2 − 1 < , [ 1, 2] [ , ] выполняется неравенство ( , [ 1, 2]) < . В этом случае для отмеченных выше точек 1 и 2, связанных лишь соотношением 0 < 2 − 1 < , выполняется

| ( 1) − ( 2)| 6 ( , [ 1, 2]) < .

А это и гарантирует равномерную непрерывность функции на отрезке [ , ].

[:|||||:]

Теорема 20.6. Определенная на множестве E функция ( ) равномерно непрерывна на нем т.и.т.т., когда

lim ( , , E) = 0.

→0+0

Доказательство.

Необходимость. Пусть функция равномерно непрерывна на множестве E:

> 0 ( ) > 0 : 1, 2 E, | 1 − 2| < | ( 1) − ( 2)| < 2.

Используя то, что при расширении числового множества его точная верхняя грань может только не убывать, получаем, что если 0 < ′ < , то

sup | ( 1) − ( 2)| 6

sup | ( 1) − ( 2)| <

 

,

 

 

 

 

 

2

 

 

| 1− 2|< ′

 

| 1− 2|<

 

 

 

 

т.е. если 0 < ′ < , то ( ′, ,

) < , а это

и означает, что lim ( , ,

E

) = 0.

 

E

→0+0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

58