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

Kalney_Limits_Continuos

.pdf
Скачиваний:
9
Добавлен:
05.06.2015
Размер:
2 Мб
Скачать
☆

Достаточным условием однозначности обратной функции является требова-

ние строгой монотонности прямой функции. Если функция y = f ( x) задана на не-

котором промежутке и не является строго монотонной на нём, то из области опреде-

ления выделяют такой промежуток, на котором функция y = f ( x) является строго монотонной и для этой, вообще говоря, новой функции определяют обратную одно-

значную функцию.

Пример 1.1. Функция y = x2 строго возрастает на промежутке [0, + ∞) . По-

этому на этом промежутке она имеет однозначную обратную, заданную равенством x = y . Если же функцию y = x2 рассматривать на промежутке ( − ∞, 0] , то обрат-

ной будет функция x = − y .

Пусть функция y = f ( x) имеет однозначную обратную функцию x = f −1( y) .

Графики этих функций в прямоугольной системе координат Oxy совпадают, меня-

ются только назначения осей: для прямой функции y = f ( x)

осью аргументов явля-

 

 

 

 

 

ется ось абсцисс Ox , для об-

 

 

 

 

 

 

 

y

 

y = f -1(x)

ратной

x = f

−1( y) – ось ор-

 

 

 

 

 

 

 

 

y = f(x)

динат Oy . Если же и для об-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ратной

функции аргументы

 

 

 

 

 

располагать

на оси Ox , то

 

 

 

 

 

графики прямой функции и её

 

 

O

x

 

 

 

 

 

обратной будут симметричны

 

 

 

 

 

относительно

биссектрисы

Рис.1.4. Графики прямой и обратной функций

первого и третьего координат-

 

 

 

ных углов (см.рис. 1.4).

1.3.Основные элементарные функции. Элементарные функции.

Следующие функции называются основными (простейшими) элементарными функциями.

11

1. Постоянная функция:

y = c , где c действительное число.

 

2. Степенная функция:

y = xa ,

где a R (см. рис. 1.5). В случае произволь-

ного показателя a степенная функция определена для x > 0 . Но в ряде случаев об-

ласть определения расширяют. Например, если a натуральное число, то степенную

функцию считают определенной на всей числовой оси R . Также на всей числовой

оси определены функции вида y = 3 x , y = 3 x2 и т.п. Если

a целое отрицательное

число, то степенная функция определена для всех x ≠ 0 .

 

 

 

Отметим, что в случае иррационального показателя

a

степенную функцию

будем определять равенством

xa = ea ln x , то есть как сложную функцию.

 

y

 

y = x3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y = x-2

 

1

1

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

O

y

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y = x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

1

 

 

 

 

 

O

1

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

O

1

x

а)

 

 

б)

 

в)

 

 

 

Рис.1.5. Степенная функция.

 

 

 

2.

Показательная функция: y = a x , a > 0 , a ≠1,

x R (рис.1.6).

3.

Логарифмическая функция: y = loga x , a > 0 ,

a ≠1, x > 0 (рис.1.7).

12

y

 

y = ax (0 < a < 1)

y = ax (a > 1)

 

 

 

 

 

 

 

y

 

y = logax (a > 1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

O

1

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

O

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y = logax (0 < a < 1)

 

Рис.1.6. Показательная функция.

 

Рис.1.7. Логарифмическая функция.

 

 

 

 

 

 

 

4.

Тригонометрические

функции:

y = sin x, x R;

 

y = cos x, x R;

y = tg x, x ≠ π + πk , k Z ;

y = ctg x, x ≠ πk,

k Z (см. рис. 1.8).

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

O

 

 

 

 

O

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-π -π/2

π/2

π

x

-π -π/2

π/2

π

 

x

 

 

-1

 

 

 

 

 

-1

 

 

 

а) y = sinx

 

 

 

 

б) y = cosx

 

 

y

y

 

 

 

O

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

O

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-π

 

/2

π

/2

π 3π

 

/2

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

-π -π/2

π/2

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

в) y = tgx

г) y = ctgx

 

Рис.1.8. Тригонометрические функции.

13

5.

Обратные

тригонометрические

функции:

y = arcsin x,

x [−1; 1]; y = arccos x,

x [−1; 1];

y = arctg x,

x R; y = arcctg x,

x R

(см.

рис.1.9).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

π/2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

O

 

 

 

π/2

 

 

 

 

-1

1

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

O

 

 

 

 

 

-π/2

 

-1

1

x

 

 

 

а) y = arcsinx

 

б) y = arccosx

 

 

 

y

π/2

O

x

-π/2

в) y = arctgx

y

π

π/2

O

x

г) y = arcctgx

Рис.1.9. Обратные тригонометрические функции.

Элементарной называют функцию, которая может быть получена из основных элементарных с помощью применения конечного числа арифметических действий и суперпозиций. Например, функция y = log2 ( x2 + 2x + 2) элементарная, так как она

является суперпозицией функций y = log2 u и u = x2 + 2x + 2 , причем переменная

u является результатом применения конечного числа арифметических действий над постоянной и степенной функциями.

Напомним еще ряд понятий относительно функций.

Функция

f ( x) называется чётной (нечётной), если её область определения

симметрична

относительно

точки x = 0 и

f (− x) = f ( x) (соответственно

f (− x) = − f ( x) ) для любого

x D( f ) . Например,

степенные функции являются

 

 

14

 

чётными, если показатель степени чётное число, и нечётными, если показатель сте-

пени нечётное число. Чётной является функция косинус, нечётными функциями – синус, тангенс, котангенс. График чётной функции симметричен относительно оси ординат, нечётной – относительно оси абсцисс.

Функция

 

f ( x) называется периодической,

если существует положительное

число T > 0 (период функции) такое, что f (x + T ) = f ( x) для любого

x D( f ) .

Периодическими являются тригонометрические функции.

 

 

 

 

 

Функция

 

f ( x) называется возрастающей (убывающей)

на промежутке I ,

если большему значению аргумента из промежутка I соответствует большее значе-

ние функции,

то есть для

любых

x1, x2 I и таких что, x1 < x2 , выполняется

f (x1) < f ( x2 )

(соответственно f (x1) > f ( x2 ) ). Если выполняется нестрогое нера-

венство f (x1) ≤ f ( x2 ) (соответственно

f (x1) ≥ f ( x2 ) ), то функция называется не-

убывающей (невозрастающей) на промежутке I .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Например,

показательная функция

y = a x

возрастающая на всей области оп-

ределения, если

a > 1, и

убывающая,

если

0 < a < 1.

Отметим,

что

функция

 

 

 

 

 

 

 

 

π

 

π

 

 

 

 

y = tg x возрастает на каждом из промежутков

−

 

 

+ πk ,

 

+ πk

, k

Z , но не яв-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

2

 

 

 

 

ляется возрастающей на всей области определения.

 

 

 

 

 

 

 

Функция

 

f ( x) называется

ограниченной сверху (снизу) на промежутке I ,

если существует такое число M ( m ) ,

что f ( x) ≤ M ( f (x) ≥ m) для всех x I .

Функция, ограниченная сверху и снизу на промежутке I , называется ограниченной

на этом промежутке.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Например,

функции

sin x , cos x

ограничены на всей области определения,

функция a x ограничена снизу на всей области определения. Функция x2 не являет-

ся ограниченной на всей области определения, но ограничена на любом конечном промежутке.

15

1.4. Предел последовательности. Свойства сходящихся последовательностей.

Основные понятия математического анализа – производная, интеграл, ряд,

широко применяемые при решении технических, физических, экономических и др.

задач, – базируются на понятии предела. Поэтому понятию предела в математиче-

ском анализе уделяется особое внимание. Начнём с предела последовательности.

1. Понятие последовательности

Если каждому натуральному числу n поставлено в соответствие некоторое

действительное число xn , то говорят, что задана числовая последовательность или просто последовательность Число xn называется n -ым членом или элементом по-

следовательности. Кратко последовательность обозначают {xn } или, опуская фи-

гурные скобки, xn , если из текста ясно о чём идет речь – о всей последовательности,

или только её члене с номером n .

Таким образом, последовательность – это функция, область определения ко-

торой множество натуральных чисел:

xn = f (n) ,

n N . Если функция f

задана

аналитически, то выражение

xn = f (n)

называется формулой общего члена после-

довательности {xn } .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Зная формулу общего члена, легко найти значение xn для любого номера n .

Пример 1.2. x

=

1

: x

= 1, x =

1

,

 

x

=

1

 

, ….

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

n

1

 

2

2

 

3

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пример 1.3. x

=

n −1

: x

= 0 , x

=

 

1

,

x

=

2

, ….

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

n

1

2

 

2

 

3

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пример 1.4. x

= (−1)n

: x

= −1, x

= 1, x

 

= −1, x

= 1, x = −1,….

 

n

 

 

 

 

1

 

 

2

 

 

 

3

 

 

4

 

5

 

Пример 1.5. x

= (−1)n n :

x = −1,

x = 2 ,

 

x

 

= −3 ,

x

= 4 , x = −5 ,….

 

n

 

 

 

 

 

1

 

 

2

 

 

 

 

3

 

4

5

 

Может рассматриваться и обратная задача: по нескольким заданным значени-

ям последовательности найти формулу общего члена. Например, пусть

x1 = 1,

x2 = 4 , x3 = 9 , …. Здесь нетрудно заметить, что выписанные значения равны квад-

16

рату номера члена последовательности. Поэтому, можно положить xn = n2 . Однако несложно привести примеры последовательностей, для которых мы можем указать значения xn для многих номеров, но не можем указать формулу общего члена. На-

пример, можно найти 10-ю, 71-ю и т.д. цифру после запятой в десятичной записи числа 2 , но неизвестна формула для вычисления произвольной n -ой цифры после запятой.

2. Определение предела последовательности

Рассматривая примеры 1.2-1.5 можно заметить существенные различия в по-

ведении членов последовательностей с возрастанием номера. Члены последователь-

ности x =

1

с возрастанием номера всё меньше отличаются от числа 0, а члены по-

 

 

n

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

следовательности x

=

n −1

 

– от числа 1. Тогда как для каждой из последователь-

 

 

 

 

 

 

n

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ностей x

= (−1)n и

x = (−1)n n не существует чисел, к которым бы они прибли-

 

n

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

жались с возрастанием номера. Поэтому говорят, что последовательности x

 

=

1

и

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x =

n −1

 

имеют пределы (стремятся к определённому числу),

а последовательно-

 

n

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

сти x = (−1)n и x

= (−1)n n предела не имеют.

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Определение. Число a называется пределом последовательности xn , если

для любого сколь угодно малого числа ε > 0 найдётся такой номер N (ε) ,

что для

всех номеров n > N (ε) выполняется неравенство

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xn − a

 

< ε .

 

 

 

 

(1.2)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Если число a предел последовательности, то пишут lim xn = a или

xn → a .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n→∞

 

 

 

 

 

 

 

Последовательность,

имеющая предел, называется сходящейся,

не имеющая преде-

ла – расходящейся.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пример 1.6. Используя определение предела доказать, что

lim

1

= 0 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n→∞ n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

17

 

 

 

 

 

 

 

◄ Зададим произвольное ε > 0. Нужно найти номер N (ε) такой, что для лю-

бого натурального n > N (ε)

выполняется неравенство

 

1

− 0

< ε , т.е.

1

< ε . Так

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

n

 

как n и ε положительные числа, то последнее неравенство равносильно

следую-

 

1

 

1

 

+ 1, где [x] - целая часть числа x , т.е.

 

щему n >

 

. Положим N (ε) =

 

 

наиболь-

 

 

 

ε

ε

 

 

 

 

 

 

 

 

шее целое число не превосходящее x . Так как N (ε) > 1 , то для каждого натураль-

ε

ного n > N (ε) будет выполняться неравенство 1 − 0 < ε . По определению предела n

это означает, что lim 1 = 0 .►

n→∞ n

Интервал вида (a − ε; a + ε) называют ε -окрестностью числа a . Так как не-

равенство (1.2) равносильно двойному неравенству a − ε < xn < a + ε , то определе-

ние предела последовательности можно сформулировать так: точка a предел по-

следовательности xn , если для любой, сколь угодно малой, ε -окрестности точ-

ки a найдется такой номер N (ε) , что для всех номеров n > N (ε) члены после-

довательности принадлежат этой ε -окрестности (рис. 1.10).

 

 

 

 

 

 

Таким образом, если число a пре-

 

 

xn, n > N(ε)

дел последовательности

xn , то вне любой

 

 

 

 

 

окрестности числа a

может лежать

 

a - ε

a

a + ε

лишь конечное количество членов после-

 

 

 

 

 

Рис.1.10.

Геометрическая

интерпрета-

довательности x .

 

 

 

 

 

 

n

 

ция предела последовательности.

Если для выбранного числа най-

дется такая его окрестность, вне которой лежит бесконечное количество чле-

нов последовательности xn , то это число не может быть пределом последо-

вательности xn . Используя это утверждение легко доказать, что последователь-

ность xn = (−1)n не имеет предела. Для любой точки a на числовой прямой интер-

18

вал (a − 0, 5; a + 0, 5) длины единица не содержит хотя бы одного из чисел 1 или −1,

т.е. не содержит бесконечного числа членов последовательности.

3. Свойства сходящихся последовательностей

Используя геометрическую интерпретацию предела последовательности, не-

трудно доказать ряд важных свойств сходящихся последовательностей.

Теорема 1.1. Если последовательность имеет предел, то он единственный.

◄Пусть lim xn = a и предположим, что последовательность xn также стре- n→∞

мится к числу b ≠ a . Возьмем непересекающиеся ε -окрестности чисел a и b (см.

рис. 1.11). Так как xn → a , то все члены последовательности xn , начиная с некото-

рого номера N1(ε) , принадлежат ε -окрестности точки a и не принадлежат ε -

окрестности точки b . Значит, вне ε -окрестности точки b лежит бесконечное коли-

чество членов последовательности xn и точка b не может пределом xn . Следова-

тельно, предположение неверно и последовательность может иметь только один предел. ►

xn, n > N1(ε)

a - ε a a + ε b - ε

b b + ε

Рис. 1.11. Геометрическая интерпретация доказательства теоремы 1.1

Теорема 1.2. Пусть xn → a , yn → b

и

xn ≤ yn для каждого n N . Тогда

a ≤ b .

 

 

◄Предположим, что a > b . Возьмем,

как и при доказательстве теоремы 1.1,

непересекающиеся ε -окрестности чисел a и b . Так как xn → a , то все члены по-

следовательности xn , начиная с некоторого номера N1(ε) , принадлежат ε -

окрестности точки a . Аналогично, все члены последовательности yn , начиная с

некоторого номера N2 (ε) , принадлежат (b − ε; b + ε) . Если взять номер n одновре-

менно больший N1

и N2

, то yn

< b + ε ≤ a − ε < xn

, т.е. yn

< xn . Это противо-

 

 

 

 

 

 

19

речит условию:

xn ≤ yn для любого n . Следовательно, предположение неверно и

a ≤ b . ►

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Замечание. Если для сходящихся последовательностей выполняется строгое

неравенство

 

 

xn < yn , то необязательно

lim xn

< lim yn .

Например,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n→∞

 

n→∞

 

x

= −

1

< y

 

=

1

, но lim x

= lim y

 

= 0 .

 

 

 

 

 

 

 

n

 

n

 

 

 

 

 

 

n

 

n

 

n

n

n→∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n→∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Аналогично предыдущим доказывается следующее свойство.

 

 

Теорема 1.3. Пусть xn

≤ zn ≤ yn для каждого n N

и lim xn

= lim yn = a .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n→∞

n→∞

Тогда последовательность zn

также сходится, причем

lim zn = a .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n→∞

 

 

 

 

 

Пример 1.7. Найти предел последовательности

x =

1

, где n! = 1 2 3 ... n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

n!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(читается «эн факториал»).

◄ Рассмотрим две последовательности:

a = 0 для любого n

и b =

1

. Так

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

n

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

как a

= 0 < x =

1

 

=

1

 

≤

1

= b

и

lim a

= lim b = 0 ,

то предел x

 

 

 

 

 

n

n

n!

 

1 2 3 ... n

 

n

n

n

n

 

 

n

 

 

 

 

 

 

n→∞

n→∞

 

 

 

существует и также равен нулю.►

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Определение.

Последовательность

 

xn называется ограниченной сверху (сни-

зу), если существует такое число M (соответственно m ), что для любого номера n

выполняется неравенство xn ≤ M ( xn ≥ m ).

Определение. Последовательность xn называется ограниченной, если она ог-

раничена и сверху, и снизу, т.е. существуют числа M и m такие, что для любого

номера n выполняется двойное неравенство

 

m ≤ xn ≤ M .

(1.3)

Другими словами, последовательность ограничена, если существует отрезок,

которому принадлежат все члены последовательности.

20

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]