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

Математический анализ

.pdf
Скачиваний:
81
Добавлен:
05.06.2015
Размер:
4 Мб
Скачать
☆

1. ТЕОРИЯ ЧИСЛОВЫХ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЕЙ И ФУНКЦИЙ ОДНОЙ ПЕРЕМЕННОЙ

 

 

 

 

 

 

 

9

 

 

6

 

 

 

 

 

 

 

 

x 2 + 9x − 6

 

 

1 +

 

 

−

 

 

.

 

 

 

 

lim

 

= lim

x

x 2

 

 

 

 

x→∞ 7 x 2 + 10 x 4 + 5x

x→∞

 

 

 

 

 

 

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7 + 10

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x3

 

 

 

 

Далее пользуясь теоремами об арифметических действиях над функциями, имею-

щими предел,

и учитывая, что lim

 

9

= 0 ,

 

lim

6

= 0 , lim

5

= 0 , окончательно получим

 

x 2 + 9x − 6

 

 

 

x→∞ x

 

x→∞ x 2

x→∞ x3

 

lim

=

 

1

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x→∞ 7x2 + 10x4 + 5x

 

+

10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ответ:

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7 + 10 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение: б) При x → 3 числитель и знаменатель этой дроби б.м.ф., то есть имеет

место неопределенность типа 00 . Число 3 является корнем и многочлена, стоящего в

числителе, и многочлена, стоящего в знаменателе. Разлагая числитель и знаменатель на простые множители, получим:

lim

 

 

 

x2

− 9

 

 

= lim

 

 

(x − 3)(x + 3)

= lim

 

 

x

+ 3

 

 

=

 

3

.

 

 

 

− x 2

− x

−15

 

(x − 3)(x 2

+ 2x + 5)

 

x 2

+

2x + 5

 

10

 

 

x→∞ x3

x→3

 

x→3

 

 

 

 

 

Ответ:

 

3

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение: в) В данном случае неопределенность типа

0

 

может быть раскрыта,

 

если выполнить следующие преобразования:

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lim

x2 +1 −

1

= lim

(

x 2 +1 −

1)(

x 2 +1 +1)(3

(x2

+ 2)2

+ 3

 

2(x 2 + 2)

+ 3 4 )

=

 

+ 2 − 3

2

 

 

x2 + 2 − 3

2 )(

x 2 +1 +1)(3

(x2 + 2)2 + 3 2(x 2 + 2) + 3 4 )

x→0 3 x2

 

x→0 (3

 

= lim x 2 (3 (x 2 + 2) + 3 2(x 2 + 2) + 3

4 ) = 33 4 ) .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x→0

 

 

 

 

x 2 ( x 2 +1 +1)

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ответ:

33

4 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

lim(3x2

− 6x + 3) = 3lim(x −1)2 = 0 . То

Решение: г)Заметим, что lim sin(x −1) = 0 и

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x→1

 

 

x→1

 

 

 

 

 

 

 

 

x→1

 

 

есть в данном случае числитель и знаменатель этой дроби б.м.ф. при x →1 и имеем неоп-

ределенность типа

0

 

. Заменяя б.м.ф. sin( x −1) эквивалентной величиной x −1, получим

0

 

 

 

 

 

 

lim

sin( x −1)

 

= lim

x −1

= ∞ .

3x 2 − 6x + 3

3(x −1)2

x→1

x→1

 

Ответ: ∞ .

42

1. ТЕОРИЯ ЧИСЛОВЫХ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЕЙ И ФУНКЦИЙ ОДНОЙ ПЕРЕМЕННОЙ

Решение: д) Числитель и знаменатель этой дроби б.м.ф. при x → 0 . То есть имеем

неопределенность типа

0

. Прибавляя и отнимая единицу в числителе данной дроби и

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

пользуясь тем, что

lim

ex2 −

1

=1

и lim

1 − cos x

=

1

, получим

 

 

 

 

x2

 

 

 

 

 

x2

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x→0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x→0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lim

 

ex2

−1 +1 − cos x

= lim

ex2 −1

+ lim

1 − cos x

=1 +

1

=

3

.

 

 

 

 

 

 

x

2

 

 

 

 

 

 

 

 

x2

 

 

 

 

x2

 

 

2

2

x→0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x→0

 

 

 

 

 

 

x→0

 

 

 

 

 

 

Ответ:

 

3

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение: е) Перепишем данный предел в виде

 

 

 

 

 

 

2x −4x

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lim

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2x 4 x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x→∞ 1+ 2x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lim

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x→∞

1+ 2x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Так как lim

 

2x

= lim

 

 

 

 

 

2x

 

=1

, а показатель

4x → ∞, то имеем дело с неопреде-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

x→∞ 1+ 2x

x→∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2x(1+

 

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ленностью типа [1∞ ]. Для ее раскрытия пользуемся вторым замечательным пределом, предварительно выполняя следующие преобразования:

 

 

 

2x 4 x

 

 

 

 

 

4 x

 

 

 

 

−1 4 x

 

−1 1+2 x

 

 

 

2x

+1−1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1+2 x

−1

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

= 1

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

+ 2x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ 2x

1

 

 

 

 

 

1+ 2x

 

 

 

 

 

 

 

 

Итак мы имеем

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2x 4 x

 

 

 

 

 

 

−1

 

 

 

 

 

 

 

lim

 

 

 

 

 

 

= lim 1

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

+

 

 

1

+ 2x

 

 

 

 

 

 

 

x→∞

2x

 

 

x→∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1+2 x

 

−4 x

 

 

 

 

−1

1+2 x

 

 

 

 

 

 

−1

 

 

 

 

=

1+

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1+ 2x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1+2 x

−

 

4 x

 

 

 

 

 

 

 

1+2 x

 

 

−4 x

 

 

 

 

 

 

 

−1

 

 

 

lim

 

 

 

= e−2 .

 

 

 

= ex→∞1+2 x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ответ: e12 .

Пример 3. Найти точки разрыва следующих функций:

sin x

а) f (x)= x при x ≠ 0,

2 при x = 0.

в) f(x) = arctg x 2−2 ,

 

2 при x = 0, x = ±2,

б)

f (x)= 4 - x 2

при 0 ≠

 

x

 

< 2.

 

 

 

 

при

 

x

 

> 2.

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

г)

f(x) = e

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение: а) Нетрудно заметить, что для всех точек числовой оси, кроме точки x = 0 условие непрерывности (1.46) выполняется. А что происходит в точке x = 0? Так

как lim

sin x

=1, а

f (0) = 2 , то в точке x = 0 нарушается условие непрерывности задан-

x

x→0±0

 

 

43

1. ТЕОРИЯ ЧИСЛОВЫХ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЕЙ И ФУНКЦИЙ ОДНОЙ ПЕРЕМЕННОЙ

ной функции. Таким образом, заданная функция в точке x = 0 нарушается условие непрерывности заданной функции. Таким образом, заданная функция в точке x = 0 имеет устранимый разрыв.

Ответ: в точке x = 0- устранимый разрыв.

Решение: б) Непрерывность данной функции во всех точках числовой оси, кроме точек 0; -2;+2, очевидна. А что происходит в точках 0;-2;2? Проверим условие непрерыв-

ности (1.46) для данной функции в точке x = 0. Имеем lim

f (x) = lim (4 − x2 ) = 4 и

x→0±0

x→0±0

f (0) = 2 . Значит точка x = 0 для данной функции является точкой разрыва первого рода. Теперь проверим условие непрерывности (1.46) для данной функции в точках x=2 и

x=-2.Имеем

f (x) = lim 4 = 4,

lim f (x) = lim (4 − x2 ) = 0, f (2) = 2.

lim

x→2+0

x→2+0

x→2-0

x→2−0

 

lim

f (x) = lim (4 − x2 ) = 0,

lim

f (x) = lim 4 = 4, f (−2) = 2.

x→−2+0

x→−2+0

 

x→−2−0

x→−2−0

Отсюда заключаем, что точки x=2 и x=-2

для данной функции являются точками

разрыва первого рода (рис. 1.12)

 

 

f(x)

 

4

 

 

2

 

 

0

 

-2

2

x

Рис. 1.12.

Ответ: в точках, x=2, x=-2- разрыв первого рода, в точке x=0 -устранимый разрыв.

Решение: в) Очевидно, что рассматриваемая функция является непрерывной во всех точках числовой оси, кроме точки x=2, которая не входит в область ее определения. Определим характер разрыва данной функции в точке x=2. Имеем

lim arctg

2

=

π

,

lim arctg

2

= −

π

,

x − 2

2

x − 2

2

x→2+0

 

 

x→2−0

 

 

Следовательно, точка x=2- точка разрыва первого рода. Ответ: точка x=2 – точка разрыва первого рода.

Решение: г) Очевидно, что заданная функция непрерывна на всей числовой оси кроме точки x=0 (она не входит в область определения функции). Определим характер разрыва заданной функции в точке x=0. Имеем

44

1. ТЕОРИЯ ЧИСЛОВЫХ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЕЙ И ФУНКЦИЙ ОДНОЙ ПЕРЕМЕННОЙ

 

1

 

 

1

 

lim

f (x) = lim e

x

= ∞,

lim

f (x) = lim e

x

= 0.

x→0+0

x→0+0

x→0−0

x→0−0

Так как один из односторонних пределов (в данном случае правосторонний) не равен конечному числу, то точка x=0 для данной функции является точкой разрыва второго рода.

Ответ: точка x=0 – точка разрыва второго рода.

Пример 4. Определить порядок малости б.м.ф. f(x) по отношению к основной бесконечно малой ϕ(x)=x при х→0.

а) f(x)=2(ex3 -1) при х→0; ϕ(x)=x при х→0.

б) f(x)=ln(sin x2+1) при х→0; ϕ(x)=x при х→0.

Решение: а). Пусть функция f(x)=2(ex3 -1) б.м.ф. порядка n по отношению к основной бесконечно малой ϕ(x) = x при x →0. Тогда по определению (1.28.) и с учетом того,

что ex3 -1 ~ x3 при x →0 , имеем

 

lim

f (x)

= lim

2(ex3 −1)

= lim

2x3

ϕn (x)

xn

xn

x→0

x→0

x→0

 

∞, n 3,

 

 

= 2lim x3−n = 2, n = 3,

x→0

 

 

0, n 3.

Отсюда заключаем, что б.м.ф. f(x)=2(ex3 -1) бесконечно малая третьего порядка по отношению к основной бесконечно малой x при x → 0 .

Ответ: ex3 -1 бесконечно малая третьего порядка по отношению к бесконечно малой x при x→ 0.

Решение: б) Рассуждая аналогично примеру а) имеем

 

ln(sin x2 +1)

 

sin x2

 

x2

 

 

∞, n 2,

 

 

 

= lim x

2−n

 

 

lim

 

= lim

 

= lim

 

 

= 1,

n = 2,

xn

xn

xn

 

x→0

x→0

x→0

x→0

 

 

n 2.

 

 

 

 

 

 

 

 

0,

Ответ: ln(sin x2 + 1) бесконечно малая второго порядка по отношению к бесконечно малой x при x→0.

45

1. ТЕОРИЯ ЧИСЛОВЫХ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЕЙ И ФУНКЦИЙ ОДНОЙ ПЕРЕМЕННОЙ

Тест 1

Вычислить пределы:

 

 

 

 

1.

lim

 

4n 6

− n +5

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n→∞ n 6 +3n 2 +1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а) 0;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

б) ∞;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

в) 4;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

г) 5.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 +3+...+n

 

2 + n

2

 

2.

lim

1 +

 

−

 

.

 

 

 

n

 

 

3n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а) 1;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

б) ∞;

 

 

 

 

 

 

 

в)

1

 

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

г) 0.

 

 

 

 

 

 

 

 

3. lim

3x

.

1 + x −

x→0

1 − x

а) 0; б) ∞; в) 5 г) 3.

4. limx→∞ x[ln(3x −1)− ln(3x −2)].

а) ∞; б) 0;

в) 13 ; г) 2.

3

5. lim(1 +cos x)cos x .

x→π2

а) 1;

б) е3;

в) e; г) 0.

6. lim x + 4 −3x . x→∞ x + 8

а) 1;

46

1. ТЕОРИЯ ЧИСЛОВЫХ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЕЙ И ФУНКЦИЙ ОДНОЙ ПЕРЕМЕННОЙ

б) ∞;

в) е; г) е12.

7. lim tgx − sin x .

x→0

x sin x

а) 0; б) 2;

в) 12 ; г) 5.

Определите порядок б.м.ф. f(x) по отношению к б.м.ф. ϕ(х):

8. f(x)= x(x +1) , ϕ(x)=x, x→0. 1 + x

а) 1; б) 3; в) 4; г) 6;

9. f(x)= 1 + x2 tg π2x , ϕ(x)=x, x→0.

а) 2; б) 1; в) 3; г) 4.

Найти точку разрыва функции и определить его характер: 10. f(x)= xx .

а) х=0 – точка разрыва первого рода; б) х=0 – точка разрыва второго рода; в) х=0 – точка устранимого разрыва.

47

2. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЕ ИСЧИСЛЕНИЕ ФУНКЦИИ ОДНОЙ ПЕРЕМЕННОЙ

Раздел II. Дифференциальное исчисление функции одной переменной

2.1. Определение производной функции первого порядка

Пусть функция y=f(x) определена в некоторой окрестности точки х0 и пусть х0+∆х, где ∆х есть приращение аргумента, есть некоторая точка этой окрестности.

Определение 2.1. Если существует предел отношения ∆y = f(x0 + ∆x)− f(x0 ) при

∆x ∆x

∆х→0, то этот предел называется производной первого порядка функции y=f(x) в точке х0 и обозначается так:

lim

∆y

= lim

f (x 0 + ∆x)− f (x 0 )

 

= y′(x0 )= f ′(x0 )=

dy

 

 

=

df (x)

 

 

.

 

 

(2.1)

 

 

 

 

 

 

∆x

∆x

dx

 

 

dx

 

 

∆x→0

 

 

 

 

 

x

=x0

 

 

x=x0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Если в некоторой точке х0 имеет место lim

∆y

= +∞ ,

lim

∆y = −∞ ,

lim

∆y

= ∞, то

 

 

 

 

 

∆x→0

∆x

 

 

 

 

∆x→0

∆x

 

 

 

∆x→0

∆x

 

говорят, что для этого значения х0 существует бесконечная производная, равная соответственно +∞; -∞; ∞.

 

Определение 2.2. Если функция y=f(x) определена в правосторонней (левосторон-

ней)

окрестности

точки

х0

и

существует конечный или бесконечный

 

f(x0 + ∆x)− f(x)

 

 

f(x0

+ ∆x)− f(x)

 

lim

 

 

lim

 

 

 

 

, то он называется, соответственно, конеч-

∆x

 

∆x

 

∆x→0+0

 

∆x→0−0

 

 

 

 

ной или бесконечной правосторонней (левосторонней) производной функции y=f(x) в точке х=х0 и обозначается так:

lim

f(x0

+ ∆x)− f(x)

=f′(x0+0),

 

 

∆x

 

∆x→0+0

 

 

 

lim

f(x0

+ ∆x)− f(x)

=f′(x0-0).

(2.2)

 

∆x

∆x→0−0

 

 

 

Теорема 2.1. Функция y=f(x), определенная в некоторой окрестности точки х=х0, имеет конечную производную f′(x0) тогда и только тогда, когда существуют равные друг другу конечные правосторонняя и левосторонняя производные этой функции в точке х0,

т.е. когда f′(x0+0)=f′(x0-0). В этом случае f′(x)= f′(x0+0)=f′(x0-0).

Заметим, что доказательство этой теоремы следует из теоремы 1.16 об односторонних пределах.

2.2. Геометрический смысл производной.

Пусть функция y=f(x) определена и непрерывна на некотором интервале (а;b) и имеет конечную производную в точке x0 (a;b). Рассмотрим график этой функции

(рис. 2.1.).

47

2. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЕ ИСЧИСЛЕНИЕ ФУНКЦИИ ОДНОЙ ПЕРЕМЕННОЙ

y

A

 

ϕ(x0 )

M ∆y

 

 

A0

 

 

 

dy

 

∆x

N

 

 

 

ϕ (∆x)

 

0

x0

x0 + ∆x

x

Рис. 2.1.

На графике точка А0 имеет координаты А0[x0;f(x0)], а точка А – координаты A[x0+∆x; f(x0+∆x)], где приращение аргумента ∆х>0 и x0+∆x (a;b). Через ϕ(∆х) обозначим

угол, который образует секущая А0А с положительным направлением оси 0х. Очевидно, что

tgϕ(∆x) =

∆y

=

f (x0

+ ∆x)− f (x)

.

(2.3)

∆x

 

∆x

 

 

 

 

 

Заметим, что при стремлении точки А к точке А0 по графику, т.е. при стремлении ∆х к нулю, секущая А0А займет свое предельное положение, совпадающего с касательной к графику в точке х0. При этом ϕ(∆х)→ϕ(х0), где ϕ(х0) есть угол между касательной к графику в точке х0 и положительным направлением оси 0х. Итак, учитывая вышесказанное,

из (2.3) имеем

 

 

 

f(x0

+ ∆x)− f(x0 )

 

lim tgϕ(∆x)

= tgϕ(∆x) = lim

∆y

= lim

= f' (x0 ),

∆x

 

∆x

∆x→0

∆x→0

∆x→0

 

 

т.е.

 

 

 

 

 

 

f′(x0)=tgϕ(x0).

 

 

 

 

(2.4)

(2.4) показывает, что производная функция y=f(x) первого порядка в точке х0 равна тангенсу угла между касательной к графику функции y=ϕ(x) в точке х0 и положительным направлением оси 0х.

2.3. Дифференцируемость функции. Дифференциал функции и его геометрический смысл

Пусть функция y=f(x) определена на интервале (a;b), х – некоторое фиксированное значение аргумента, ∆х – любое приращение аргумента такое, что (х+∆х) (a;b).

Определение 2.3. Функция y=f(x) называется дифференцируемой в точке х, если приращение ∆у=∆f(x) этой функции в точке х, соответствующее приращению аргумента ∆х, может быть представлено в виде

∆у=А ∆х+α(∆х) ∆х,

(2.5)

где А – константа, не зависящая от ∆х, а α(∆х) – является бесконечно малой при ∆х→0.

48

2. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЕ ИСЧИСЛЕНИЕ ФУНКЦИИ ОДНОЙ ПЕРЕМЕННОЙ

Заметим, что функция α(∆х) при ∆х=0, вообще говоря, не определена. Поэтому в этой точке приписываем значение α(0)=0, чтобы функция α(∆х) стала непрерывной в точке ∆х=0. Тогда равенство (2.5) можно распространить и на значение ∆х=0. Заметим также, что так как α(∆х) и ∆х бесконечно малые при ∆х→0, то α(∆х) ∆х=0(∆х), т.е. второй член в (2.5) бесконечно малая величина более высокого порядка, чем ∆х. С учетом того (2.5) можно переписать в виде

∆у=А ∆х+0(∆х).

(2.6)

Теорема 2.2. Для того, чтобы функция у=f(x) являлась дифференцируемой в точке х (символически это записывается так: f(x) C′(x)), необходимо и достаточно, чтобы она

имела в этой точке конечную производную.

 

Необходимость.

 

 

Дано: у=f(x) C′(x).

(2.7)

Доказать: y′=f′(x) (конечная)

(2.8)

Из (2.7) следует, что ∆у=А ∆х+α(∆х)∆х. Отсюда, при условии ∆х≠0, имеем

 

∆y

= A + α(∆x)

 

 

∆x

 

 

 

 

и

∆y

 

 

 

lim

= lim A + lim α(∆x)= A .

 

∆x→0

∆x

∆x→0

∆x→0

 

Последнее, по определению 2.1 означает, что y′=f′(x)=A.

Достаточность.

Дано: конечная y′=f′(x). (2.9)

Доказать: ∆у=А ∆х+α(∆х) ∆х. (2.10)

Из (2.9) с учетом (1.36) имеем

∆∆yx − f ′(x)= α(∆x) или ∆y=f′(x) ∆x+α(∆x) ∆x, (2.11)

где α(∆х)→0 при ∆х→0.

Если теперь постоянную величину f′(x) обозначить через А, то (2.11) перепишется

в виде

∆y=A ∆x+α(∆x) ∆x,

что и доказывает дифференцируемость функции y=f(x).

Теорема 2.3. Если функция y=f(x) дифференцируема в точке х, то она непрерывна в этой точке.

Дано: f(x) C′(x).

(2.12)

Доказать: f(x) C(x)

(2.13)

Из (2.12) следует, что

∆y=f′(x) ∆x+α(∆x) ∆x.

49

2. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЕ ИСЧИСЛЕНИЕ ФУНКЦИИ ОДНОЙ ПЕРЕМЕННОЙ

Но когда lim ∆y = lim[f' (x) ∆x + α(∆x) ∆x]= 0 . В силу разностной формы условия не-

∆x→0

∆x→0

прерывности (см. определение 1.34) функция y=f(x) непрерывна в точке х.

Отметим, что обратное утверждение, не имеет места, т.е. непрерывная в точке х функция не обязательно является дифференцируемой в этой точке. Для примера, рассмотрим функцию у=|x|, график которой приведен на рисунке 2.2.

y

y=|x|

0

x

Рис. 2.2.

Поскольку ∆у=|x+∆x|-|x|≤|x+∆x-x|=|∆x| и lim ∆y = 0 , то функция y=|x| непрерывна в

∆x→0

любой точке x (-∞;+∞). Покажем, что эта функция в точке х=0 не имеет производной. Действительно, так как

∆y

 

 

 

0 + ∆x

 

−

 

0

 

 

 

 

 

 

∆x

 

 

 

1,

если ∆х>0,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

=

если ∆х<0,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∆x

 

 

 

∆x

 

 

 

 

 

 

 

 

∆x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−1,

то

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lim

∆y

1,

если

∆

 

 

 

=

 

 

 

х>0,

 

 

∆x→0

∆x

-1,

если ∆х<0.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

и правосторонняя производная функции в точке х=0 отлична от левосторонней производной, т.е. функция y=|x| в точке х=0 не имеет конечной производной. В остальных точках конечная производная функции y=|x| существует и равна

x

′

1, x > 0,

 

= sgn x =

 

 

-1, x < 0.

 

 

Теперь перейдем к определению понятия дифференциала функции y=f(x). предполагая, что y=f(x) C′(x), на основании теоремы 2.2 имеем

∆y=f′(x) ∆x+α(∆x) ∆x.

(2.14)

Пусть f′(x)≠0, т.е. первое слагаемое в (2.14) является главной линейной относительно ∆х частью приращения дифференцируемой функции.

50