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

Бесов

.pdf
Скачиваний:
133
Добавлен:
03.06.2015
Размер:
1 Мб
Скачать
☆

§ 7.1. Монотонность и экстремумы функции

101

ностях точки x0

в U˚(x0 + 0)

(< 0

в U˚(x0 + 0)

(f(x) f(x0) > 0

f(x) − f(x0) < 0

˚

− 0),

> 0

˚

− 0),

в U(x0

в U(x0

−

Пример.

!

.

(x2 sin 1 при x 6= 0, f(x) = x

0при x = 0.

Точка x0 = 0 не является ни точкой экстремума, ни точкой возрастания, ни точкой убывания.

Упражнение 1. Показать с помощью формулы конечных приращений Лагранжа, что если f0(x0) > 0, то x0 является точкой возрастания.

Теорема 4 (достаточные условия точек строгого экстремума, точек возрастания и точек убывания в терминах старших производных). Пусть f0(x0) =

= . . . = f(n−1)(x0) = 0, f(n)(x0) = 0.

Тогда

 

6

 

1.◦

при четном n = 2k x0 — точка строгого экстремума

 

(строгого минимума при f(2k)(x0) > 0, строгого мак-

 

симума при f(2k)(x0) < 0);

 

2.◦

при нечетном n = 2k + 1 x0 — точка возраста-

 

ния (точка убывания) при

f(2k+1)(x0) > 0 (при

 

f(2k+1)(x0) < 0).

 

Д о к а з а т е л ь с т в о. По формуле Тейлора при x

˚

U(x0)

f(x) − f(x0) =

f(n)(x0)

 

 

 

 

(x − x0)n + ε(x − x0)(x − x0)n =

n!

 

 

 

=

"f(nn(!x0)

+ ε(x − x0)#(x − x0)n,

 

 

 

 

)

 

где ε(x − x0) → 0 при x → x0.

102

Глава 7. Исследование поведения функций

 

˚

|ε(x − x0)| 6

 

Будем считать U(x0) столь малой, что

1

f(n)(x0)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6 2

 

 

 

 

.

 

 

(n)

знак

квадратной скобки

[ . . .]

со

-

 

 

n!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тогда

 

 

 

(n)

 

 

 

 

 

n

так что sgn(f(x)

−

f(x0))

=

впадает

со знаком

f

 

(x0),

 

= sgn f

 

 

(x0) sgn(x−x0) . Сохранение или изменение знака

(x −x0)n при переходе через x0 зависит от четности n. От-

сюда можно сделать вывод о знаке − 0 в ˚ 0 что f(x) f(x ) U(x ),

и приводит к утверждению теоремы.

Следствие 1. При f0(x0) > 0 x0 — точка возрастания, при f0(x0) < 0 x0 — точка убывания функции f.

Следствие 2. Пусть f0(x0) = 0. Тогда при f00(x0) > 0 x0 — точка строгого минимума, при f00(x0) < 0 x0 — точка строгого максимума функции f.

З а м е ч а н и е. В задаче о нахождении наибольшего (или наименьшего) значения функции f: [a, b] → R с помощью доказанных теорем можно найти точки экстремума, лежащие лишь на интервале (a, b). После этого следует сравнить значения функции f в них со значениями f(a), f(b).

§ 7.2. Выпуклость и точки перегиба

Пусть функция f определена на (a, b). Для каждого от-

резка [α, β] (a, b) построим хорду графика f,

соединяю-

щую точки (α, f(α)) и (β, f(β)). Пусть ее уравнение

y = l

α,β

(x), x

 

[α, β], где l

α,β

=

β − x

f(α) +

x − α

f(β).

 

 

 

 

β

−

α

β

−

α

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Определение. Функция f называется выпуклой вверх

(выпуклой вниз) на (a, b), если для любых α, β, x: a < α < < x < β < b f(x) > lα,β(x) (соответственно f(x) 6 lα,β(x)) при x (α, β).

Если же вместо нестрогих неравенств в последней строчке можно написать строгие, то функция f называется

§ 7.2. Выпуклость и точки перегиба

103

строго выпуклой вверх (строго выпуклой вниз) на интер-

вале (a, b).

Интервал (a, b) называется при этом соответственно ин-

тервалом выпуклости вверх, выпуклости вниз, строгой выпуклости вверх, строгой выпуклости вниз функции f.

Условие выпуклости вверх можно записать в виде

 

 

f(x)

−

l(α, β)(x)=

β − x

(f(x)

−

f(α))+

x − α

(f(x)

−

f(β))

>

0

 

 

β

−

α

 

 

 

β

−

α

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

и в виде

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f(x) − f(α)

>

f(β) − f(x)

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x − α

 

 

 

β − x

 

 

 

 

 

 

 

 

Последнее неравенство является соотношением между угловыми коэффициентами двух различных хорд с концами в точке (x, f(x)).

Упражнение 1. Сравнивая угловые коэффициенты различных хорд с концами в точке (x0, f(x0)), показать, что на интервале выпуклости вверх функция f непрерывна и в каждой точке имеет обе односторонние производные, а множество точек, в которых она не имеет производную, не более чем счетно.

Пример функции f(x) = 1 −|x|, x (−1, 1), показывает, что производная не обязана существовать во всех точках интервала выпуклости вверх.

З а м е ч а н и е. Нередко функцию, выпуклую вниз, называют выпуклой, а выпуклую вверх — вогнутой.

Теорема 1 (условия выпуклости функций).

Пусть функция f имеет вторую производную f00 на (a, b). Тогда

1.◦ условие f00 6 0 на (a, b) необходимо и достаточно для

выпуклости вверх функции f на (a, b);

2.◦ если f00 < 0 на (a, b), то функция f строго выпукла вверх на (a, b).

104Глава 7. Исследование поведения функций

До к а з а т е л ь с т в о. Достаточность. При a < α < < x < β < b имеем, используя (1) и формулу конечных приращений Лагранжа

f(x) − lα,β = (β − x)f0(ξ)(x − a) + (x − α)f0(η)(x − β) = β − α

= (x − α)(β − x)f00(ζ)(ξ − η) > 0 (> 0 при f00(ξ) > 0), β − α

где a < α < ξ < ζ < η < β < b.

Отсюда следует достаточность в утверждении теоремы 1◦ и утверждение 2◦.

Упражнение 2. Доказать необходимость условия 1◦. Можно использовать при этом анализ расположения кривой относительно касательной, который будет приведен ниже.

Определение. Точка x0 называется точкой перегиба

функции f, а точка (x0, f(x0)) — точкой перегиба графика

функции f, если

1.◦ f0(x0) (конечная или бесконечная);

2.◦ точка x0 является концом интервала строгой выпуклости вверх и концом интервала строгой выпуклости вниз.

Напомним, что при выполнении условия 1◦ функция f непрерывна в точке x0.

Теорема 2 (необходимые условия точки пере-

гиба). Пусть x0 — точка перегиба функции и f00 непрерывна в точке x0. Тогда f00(x0) = 0.

Д о к а з а т е л ь с т в о проведем от противного. Допустим, что f00(x0) = 0 и для определенности f00(x0) > 0. Тогда f00(x0) > 0 в некоторой окрестности U(x0). По предыдущей теореме, точка x0 находится внутри интервала U(x) строгой выпуклости вниз и не может быть точкой перегиба.

§ 7.3. Асимптоты

105

Теорема 3 (достаточные условия точки пере-

гиба). Пусть f0(x0), а f00 меняет знак при переходе через точку x0.

Тогда x0 — точка перегиба.

Д о к а з а т е л ь с т в о сводится к проверке определения точки перегиба с помощью теоремы о достаточных условиях строгой выпуклости функции.

Следствие. Пусть f00(x0) = 0, f000(x0) 6= 0.

Тогда x0 — точка перегиба функции f.

Теорема 4 (о расположении кривой относительно

касательной).

 

 

1.◦

Если f00(x0) > 0 (f00(x0) < 0), то U(x0): кривая y =

 

= f(x) лежит строго выше (строго ниже) касатель-

2.◦

ной y = f(x0) + f0(x0)(x − x0) при x U˚(x0).

Если f00(x0) = 0, f000(x0) = 0, то

 

U(x0): кривая y =

 

6

 

= f(x) переходит через касательную, т. е. при x <

˚

<x0 и x > x0 (x U(x0)), лежит строго по разные стороны от касательной.

До к а з а т е л ь с т в о. Пусть F (x) = f(x) − (f(x0) +

+f0(x0)(x −x0)). Тогда вопрос сводится к изучению распо-

ложения графика функции при ˚ 0 относительно

F

x

U

(

x

)

прямой (касательной) y = 0 и решается применением тео-

ремы 7.1.4.

§ 7.3. Асимптоты

Определение. Пусть функция f определена на (a, +∞). Прямая y = kx + l называется асимптотой (или

наклонной асимптотой) графика функции f при x → +∞,

если

f(x) = kx + l + o(1) при x → +∞.

Аналогично определяется (наклонная) асимптота при x →

→ −∞.

предлагается провести в каче-

106 Глава 7. Исследование поведения функций

Теорема 1. Для того чтобы график функции f имел при x → +∞ наклонную асимптоту y = kx + l, необходимо

и достаточно,

 

чтобы

 

 

 

 

 

 

 

 

lim

 

f(x)

 

= k,

 

lim (f(x)

−

kx) = l.

x

 

x

x

→

+

∞

→

+

∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Д о к а з а т е л ь с т в о стве упражнения.

Аналогично формулируется теорема о существовании (наклонной) асимптоты при x → −∞.

Определение. Прямая x = x0 называется вертикаль-

ной асимптотой графика функции f, если хотя бы один из пределов f(x0 + 0), f(x0 − 0) существует и равен +∞ или

−∞.

Упражнение 1. Выяснить наличие наклонных и вертикальных асимптот у графиков функций f(x) = x −

− 2 arctg x, f(x) = ln(1 + x).

§ 7.4. Построение графика функции

Построение графика функции рекомендуется проводить по следующей схеме.

1◦. Найти область определения функции, точки разрыва.

2◦. Выяснить вопрос о существовании асимптот.

3◦. Приблизительно нарисовать график функции.

4◦. Вычислить первую и вторую производные.

5◦. Найти точки, в которых эти производные не существуют или равны нулю.

6◦. Составить таблицу изменения знаков первой и второй производной.

7◦. Найти области возрастания и убывания функции и точки экстремума.

8◦. Найти интервалы выпуклости вверх (вниз) функции, точки перегиба.

§ 7.4. Построение графика функции

107

9◦. Найти точки пересечения функции с осью Ox, вычислить значения функции в точках экстремума и точках перегиба.

10◦. Уточнить и нарисовать график функции.

 

Упражнение 1.

Построить график функции f(x) =

= x − 1 .

f0(x) = (x −−1)2 , f00

(x) =

(x − 1)3 .

 

x2

x(x

2)

 

2

 

Глава 8 КРИВЫЕ В ТРЕХМЕРНОМ

ПРОСТРАНСТВЕ

§ 8.1. Векторнозначные функции

Определение. Пусть каждой точке t [a, b] поставлен в соответствие вектор ~r = ~r(t) трехмерного пространства. Тогда будем говорить, что на отрезке [a, b] задана вектор-

функция (или векторная функция).

Пусть в трехмерном пространстве зафиксирована декартова система координат. Тогда ~r(t) = (x(t), y(t), z(t)), где x(t), y(t), z(t) — компоненты вектора~r(t). Таким образом, задание на [a, b] вектор-функции равносильно заданию на [a, b] трех числовых функций.

Символом |~r| обозначают длину вектора ~r.

Определение. Вектор ~r0 называется пределом век-

тор-функции ~r = ~r(t) при t → t0 (пишут ~r0 = lim ~r(t)),

t→t0

если lim |~r(t) −~r0| = 0.

t→t0

Как видим, в этом определении предполагается, что~r =

˚

=~r(t) определена в некоторой U(t0).

Определение предела вектор-функции сведено к известному определению предела числовой функции f(t) = |~r(t) − −~r0|. Можно дать и другое (эквивалентное) определение предела вектор-функции, не опирающееся на понятие предела числовой функции. Для этого достаточно расписать последнее в ε-δ-терминах. Имеем

Определение. Пусть вектор-функция ~r = ~r(t) опре-

делена на ˚ 0 Вектор 0 называется пределом

U(t ). ~r ~r = ~r(t),

если

ε > 0 δ = δ(ε) > 0 : |~r(t)−~r0| < ε t : 0 < |t−t0| < δ.

§ 8.1. Векторнозначные функции

109

Если ~r(t) = (x(t), y(t), z(t)) и ~r0(x0, y0, z0), то

p

|~r(t) −~r0| = (x(t) − x0)2 + (y(t) − y0)2 + (z(t) − z0)2.

Из этого равенства видно, что существование предела

lim ~r(t) = ~r0 равносильно существованию трех пределов

t→t0

числовых функций

 

lim x(t) = x0, lim y(t) = y0,

 

lim z(t) = z0.

 

t→t0

 

 

 

t→t0

 

 

 

 

 

t→t0

Теорема 1. Пусть существуют пределы

 

lim ~r1(t) = x0,

lim ~r2(t) = y0,

 

lim f(t) = z0,

 

t→t0

 

 

 

t→t0

 

 

 

 

 

t→t0

где f — числовая функция. Тогда

 

 

 

 

 

1.◦

lim (~r1

(t)

±

r2(t)) = lim ~r1

(t)

 

lim ~r2(t);

 

t→t0

 

 

 

 

t→t0

 

 

 

± t→t0

2.◦

lim f(t)~r1(t) = lim f(t) lim ~r1(t);

 

t

→

t0

 

 

t

→

t0

t

→

t0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.◦

lim (~r1(t), r2(t)) =

 

lim ~r1

(t), lim ~r2(t) ;

 

t

→

t0

 

 

 

 

 

→

 

 

 

t

→

t0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.◦

lim [~r1(t), r2

(t)] =

 

lim ~r1(t), lim ~r2(t) .

 

t→t0

 

 

 

 

t→t0

 

 

t→t0

Д о к а з а т е л ь с т в о. Эти свойства можно вывести из свойств числовых функций, перейдя к соответствующим равенствам для компонент векторов.

Их можно доказать и непосредственно, опираясь на определение предела вектор-функции. Установим для при-

мера свойство 4◦.

Пусть

lim ~r1(t) = ~r10,

lim ~r2(t) = ~r20.

 

 

t→t0

~

t→t0

~

~

Тогда~r1(t) =~r10 +~α(t), ~r2(t) =~r20 + β(t), где ~α(t), β(t)

→ 0

при t → t0.

 

 

 

 

~

 

Имеем~r1(t)×~r2(t)−~r10 ×~r20 = (~r10 +~α(t))×(~r20 +β(t))−

 

~

 

 

 

~

 

−~r10 ×~r20 = ~r10 × β(t) + ~α(t) ×~r20 + ~α(t)

× β(t) → 0 при

t → t0, так как

 

 

 

 

 

 

~

~

 

 

|~α(t)| |~r20| → 0,

|~r10 × β(t)| 6 |~r10| |β(t)| → 0, |~α(t) ×~r20| 6

 

~

 

~

 

 

 

|~α(t) × β(t)|

6 |~α(t)| |β(t)| → 0,

 

 

110 Глава 8. Кривые в трехмерном пространстве

Определение. Пусть вектор-функция ~r = ~r(t) определена на [a, b]. Вектор ~r0 называют ее пределом справа в точке a и пишут

 

 

 

 

~r0

= lim ~r(t) =~r(a + 0),

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t→a+0

 

 

 

 

 

если

 

lim

~r(t)

−

~r

0|

= 0.

 

 

 

 

 

t

 

a+0

|

 

 

 

 

 

 

 

 

→

 

 

 

 

 

lim ~r(t) =~r(b

 

0).

Аналогично определяется

−

 

 

 

 

 

 

 

t

b

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

→ −

 

 

 

 

Свойства 1◦–4◦ верны и для односторонних пределов.

Определение.

 

Пусть вектор-функция определена в

U(t0).

Она называется непрерывной в

точке t0, если

lim ~r(t) =~r(t0).

t→t0

Из свойств пределов вектор-функций следует, что непрерывность вектор-функции равносильна непрерывности трех числовых функций — ее компонент.

Теорема 2. Пусть вектор-функции ~r1 = ~r1(t), ~r2 = =~r2(t) и числовая функция f = f(t) непрерывны в точке t0. Тогда ~r1 ±~r2, f~r1, (~r1,~r2), [~r1,~r2] непрерывны в точке t0.

Д о к а з а т е л ь с т в о следует из свойств пределов вектор-функций.

Аналогично определению непрерывности дается определение односторонней непрерывности. На этот случай переносятся свойства, указанные в последней теореме.

Производная вектор-функции ~r

= ~r(t), определенной в

U(t0), определяется как предел

 

 

~r0(t0) B lim ~r0(t0 +

t) −~r(t0)

,

t→t0

t

 

если этот предел существует.

Если ~r(t) = (x(t), y(t), z(t)), то, как легко усмотреть,

~r0(t) = (x0(t), y0(t), z0(t)).

Односторонние производные вектор-функции определяются как соответствующие односторонние пределы отношения приращения вектор-функции к приращению аргумента.