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

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЕ ИСЧИСЛЕНИЕ Трофимов Агульник

.pdf
Скачиваний:
123
Добавлен:
11.04.2015
Размер:
3 Мб
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)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

х→ х0

g ( х)

x→ x0

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)

 

 

 

х→х0

x→x0

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)

x→x0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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)

 

 

 

 

x→x0

g(x) f1

(x) g1(x)

x→x0

x→x0

x→x0

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)

.

x→x0

f (x)1

x→x0

g(x)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x→x0

g1 (x)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таким образом lim

 

f (x)

= lim

f1(x)

. Теорема доказана.

 

 

 

 

 

 

 

g(x)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x→x0

x→x0

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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x→x0

 

g(x)

 

 

 

x→x0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x→x0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x→x0

 

 

 

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

 

 

 

 

 

 

 

 

x→0

 

 

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) .

x→x0 − 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) .

x→x0 + 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.

x→0− 0

x→0

x→0

+

 

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

2x→0−0

x

= 2−∞ = 0 ,

 

x→0− 0

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

нулю; lim

f (x) =

lim

 

 

 

 

 

2x→0+0 x

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

x→0+

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) .

 

 

 

 

x→x0 −0

x→x0 +0

x→x0

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

 

x→3

3.16

lim

 

3x2

+ 8x − 3

 

 

 

 

 

 

x2 + 3x

 

x→−3

 

 

 

 

 

3.19

lim

 

 

 

 

 

8x3 −1

 

 

 

 

 

 

 

− 5x +1

 

x→1 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 − 5x→5

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

 

x→5

3.20lim 3x2 − x −10

x →2 6 − x − x2

3.23

lim

2x2 + x −10

2 + x − x2

 

x→2

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

 

 

x→1

 

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

 

 

x→2

 

 

 

 

3.24

lim

 

 

x2 − 2x −8

 

 

 

2x2 + x −36

 

 

x→4

 

 

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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x→2 2 2x − x2

 

 

 

x→0

 

 

 

x2 + x3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x2 +1 −1

3.34.

lim

 

 

 

 

 

x2 +1 −1

 

3.35.

lim

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x2 + 2 −

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x→0

 

 

 

 

2

 

 

x→0

 

x2 +16 − 4

3.37.

lim

 

arctg 2x

 

 

3.38.

lim

sin2 5x

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

2

3x

 

x→0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x→0 tg

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.40.

lim

 

 

 

tg kx

 

 

3.41.

lim

 

 

2 arcsin x

 

 

sin mx

 

 

 

 

 

 

 

3x

 

x→0

 

 

 

 

x→0

 

 

 

 

3.43.

lim

1 − cos 2 x

 

3.44.

lim (xctg x)

 

 

 

 

x sin x

 

 

 

x→0

 

 

 

 

 

 

 

x→0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.46.

lim

 

1− cos2 x

 

3.47.

lim

sin αx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2x2

 

 

 

x→0

 

 

 

 

 

 

 

 

x→0

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.

 

 

 

x→0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.33.

lim

 

 

 

 

x − 2

−

3

 

 

 

 

 

 

x2 − 25

 

 

 

 

 

x→5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

− 3

 

3.36.

lim

 

 

 

 

x + 6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

2

− 5 − 2

 

 

 

 

 

x → 3

 

 

 

 

 

3.39.

 

 

lim

 

 

sin 2x

 

 

 

 

arcsin x

 

 

 

 

 

x→0

 

 

3.42.

 

lim

tg x −sin x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x→0

 

 

 

 

 

 

x3

 

3.45.

 

lim

1− cos x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x→0

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

x→0

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 ) .

x→x0 − 0

x→x0 + 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 .

∆x→0

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 ).

 

 

x→x0 −0

 

x→x0 +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) .

 

 

 

 

 

 

 

x→x0 −0

x→x0

+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) .

 

 

 

x→x0 −0

x→x0 +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

 

 

x→π−0

 

 

 

x→π+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