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

2004-matematicheskiy-analiz-differencial-noe-ischislenie-funkciy-odnoy-peremennoy-5mb

.pdf
Скачиваний:
103
Добавлен:
23.03.2016
Размер:
5 Мб
Скачать
☆

Пример 1.6.39

4

x4 + 5 x+ 2

Вычислить lim . x→0 x + 10

Решение

 

 

 

4

 

 

 

4

 

 

 

x4

+ 5

 

x+ 2

5

 

 

 

1

 

2

 

lim

 

 

 

=

 

 

 

=

 

.

 

 

 

 

4

x→0 x + 10

 

10

 

 

 

 

Пример 1.6.40

3

Вычислить lim (cos(2x))tg(5x) sinx .

x→π

Решение

Неопределенность вида 1∞. Для того чтобы раскрыть эту неопре- деленность представим основание в виде 1 + α(x), а в показателе вы- делим множитель 1/α(x):

3

 

3(cos(2x)−1)

lim (cos(2x))

 

= lim (1+ cos(2x) − 1)

 

.

tg(5x) sinx

tg(5x) sinx (cos(2x)−1)

x→π

x→π

Так как по второму замечательному пределу

1

lim (1+ x)x = e ,

x→0

то

1

lim (1+ cos(2x) − 1)cos(2 x)−1 = e.

x→π

Тогда

 

 

 

3(cos(2x)−1)

 

 

lim

3(cos(2x)−1)

 

сделаем замену:

 

 

lim (1+ cos(2x) − 1)tg(5x) sinx(cos(2 x)−1)

 

= ex→ π tg(5x)sinx

=

t = x − π,

 

 

=

x→π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x = t+π при t → 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cos(2t) − 1 −

(2t)2

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lim

3(cos(2(t +π))−1)

lim

3(cos(2t)−1)

 

 

lim

3(−2t2 )

6

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= et →0 tg(5(t +π))sin(t +π) = et →0 tg(5t)(−sint)

=

tg(5t) 5t,

 

 

 

= et →0 5t(−t)

= e5 .

 

 

 

 

 

 

 

sin t t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

при t → 0

 

 

 

 

 

 

 

 

71

1.7. Непрерывность функций

Функция f(x) называется непрерывной в точке х0, если:

1)функция определена в некоторой окрестности точки х0, т.е. су- ществует такое число δ > 0, что Uδ (x0 ) D( f ) ;

2)существует конечный предел функции f(x) при х → х0;

3)предел функции f(x) при х → х0 равен значению функции в этой точке:

lim f (x) = f (x0 ).

x→ x0

Если функция непрерывна в каждой точке некоторой области, то она непрерывна в этой области.

Точки разрыва

Если в точке х0 нарушено хотя бы одно их этих условий, то х0 на- зывается точкой разрыва функции y = f(x). При этом различают три вида точек разрыва.

1. Точка х0 – точка устранимого разрыва, если существуют ко-

нечные пределы справа и слева при x → х0 и они равны между собой, но не равны значению функции в точке х0, либо функция не опреде- лена в данной точке:

lim

f (x), lim

f (x) и lim

f (x) = lim f (x).

x→ x0 −0

x→ x0 +0

x→ x0 −0

x→ x0 +0

В этом случае достаточно изменить значение функции только в одной точке x0 , чтобы получить новую функцию уже непрерывную

в точке x0 .

Приведем пример функции, имеющей точку устранимого разрыва.

Функция

y =

ex − 1

не определена в точке х = 0. Эта точка является

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

точкой устранимого разрыва, так как

 

 

 

 

 

lim

 

ex − 1

=

 

ex − 1 x

 

= lim

x

= lim

ex − 1

= 1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

при x → 0

 

 

x

 

 

x→−0 x

 

 

 

x→−0 x

x→+0

 

Данную функцию можно доопределить до непрерывной, если задать

 

ex − 1

 

f(0) = 1. Тогда функция

 

 

 

, x ≠ 0,

непрерывная в точке х = 0.

 

 

y = x

 

 

 

 

= 0

 

 

1, x

 

72

2. Точка х0 – точка разрыва первого рода, если существуют ко-

нечные пределы справа и слева при x → х0, но они не равны между собой:

lim

f (x) ≠ lim f (x).

x→ x0 +0

x→ x0 −0

Приведем пример функции, имеющей точку разрыва первого рода.

x − 1

Пусть y = x − 1 , тогда х = 1 – точка разрыва (рис. 1.39).

Y

 

 

 

1

 

O

1

X

 

−1

 

Рис. 1.39

lim

 

x − 1

 

 

= lim

x − 1

 

= 1;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x→1+0 x − 1

 

x→1+0 x − 1

 

lim

 

 

x − 1

 

 

= lim −(x − 1) = −1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x→1−0

 

x − 1

 

x→1−0 x − 1

 

Получили, что существуют конечные пределы справа и слева при x → 1, но они не равны между собой. Следовательно, x = 1 – точка разрыва первого рода.

3. В остальных случаях имеем разрыв второго рода. Приведем пример функции, имеющей разрыв второго рода.

Пусть y = 1 , тогда х = 0 – точка разрыва (рис. 1.40). x

73

Y

O

X

Рис. 1.7.2

lim

1

= +∞, lim

1

= −∞.

 

 

x→+0 x

x→−0 x

 

Следовательно, х = 0 – точка разрыва второго рода.

Свойства функций, непрерывных в точке

1. Если функции f(x) и g(x) непрерывны в точке х0, то функции

f(x) + g(x), f(x)g(x) и f(x) / g(x), при условии g(x0) ≠ 0, непрерывны в точке х0.

2.Если функция f(y) непрерывна в точке y0, а функция y = ϕ(x) не- прерывна в точке х0, причем y0 = ϕ(x0), то в некоторой окрестности точки х0 определена сложная функция f(ϕ(x)) и эта функция непре- рывна в точке х0.

3.Если функция f(x) непрерывна в точке х0, то она ограничена в некоторой окрестности этой точки.

Свойства функций, непрерывных на отрезке

1.Если функция f(x) непрерывна на отрезке [a, b] и на его концах принимает значения противоположные по знаку, т.е. f(a) f(b) < 0, то на интервале (a, b) существует по крайней мере одна точка, в ко- торой функция f(x) обращается в ноль.

2.Если функция f(x) непрерывна на отрезке [a, b] и f(a) = A ≠ f(b) = B, то для любого числа C (A, B) на интервале (a, b) найдется по край- ней мере одна точка с, в которой f(c) = C.

3.Если функция f(x) непрерывна на отрезке [a, b], то она ограни- чена на нем.

4.Если функция f(x) непрерывна на отрезке [a, b], то она на этом отрезке принимает свои наименьшее и наибольшее значения.

74

Пример 1.7.1

Найти точки разрыва функции f (x) = sin(x + 1) , определить ха- x + 1

рактер разрыва.

Решение

В точке х = –1 функция не определена, следовательно, х = –1 – точка разрыва функции. Раскроем модуль:

x + 1

 

=

x + 1, если x + 1 ≥ 0;

 

− (x + 1), если x + 1 < 0.

 

 

 

 

 

 

 

Найдем пределы функции при x → −1 − 0 и при x → −1 + 0:

 

lim

f (x) =

lim

sin(x + 1)

=

 

sin(x + 1)

(x + 1)

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x→−1−0

x

→−1−0

x + 1

 

 

 

 

при x → −1

 

 

 

 

 

=

lim

 

 

 

x + 1

=

 

lim

 

x + 1

= −1;

 

 

 

 

 

x + 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x→−1−0

 

 

 

x→−1−0 −(x + 1)

 

 

 

 

 

 

lim

f (x) =

lim

 

sin(x + 1)

= lim

 

 

x + 1

=

lim

x + 1

= 1.

 

 

 

 

 

 

 

x→−1+0

 

x→−1+0

x + 1

 

 

 

x→−1+0

x + 1

 

x→−1−0 x + 1

Получили, что существуют конечные пределы справа и слева при x → −1, но они не равны между собой. Следовательно, x = −1 – точ- ка разрыва первого рода.

Пример 1.7.2

Найти точки разрыва функции

f (x) =

2x + 3

,

определить

(x − 2)2 (x − 1)

характер разрыва.

 

 

 

 

Решение

 

 

 

 

Вточках x = 2 и x = 1 функция не определена, следовательно, x = 2

иx = 1 – точки разрыва функции.

Найдем пределы функции при x → 2 − 0 и при x → 2 + 0:

 

 

 

2x + 3

 

7

 

lim

f (x) =

lim

 

=

 

 

= +∞ = lim f (x).

(x − 2)2 (x − 1)

 

x→2−0

 

x→2−0

 

0

x→2+0

Следовательно, х = 2 – точка разрыва второго рода.

75

Найдем пределы функции при x → 1 − 0 и при x → 1 + 0:

 

 

 

2x + 3

 

 

5

 

 

 

lim

f (x) =

lim

 

 

=

 

 

 

= −∞.

(x − 2)2 (x − 1)

 

−0

x→1−0

 

x→1−0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2x + 3

 

 

5

 

 

 

lim

f (x) =

lim

 

 

=

 

 

 

= +∞.

(x − 2)2 (x − 1)

 

 

 

x→1+0

 

x→1+0

 

 

+0

 

 

Следовательно, x = 1 – точка разрыва второго рода.

Таким образом, получили x = 1 и х = 2 – точки разрыва второго рода.

Пример 1.7.3

Найти точки разрыва функции

f (x) =

еx+ 2

− 1

определить

 

 

,

 

 

 

 

(x + 2)(x + 1)

 

характер разрыва.

Решение

Вточках x = −2 и x = −1 функция не определена, следовательно,

x= −2 и x = −1 – точки разрыва функции.

Найдем пределы функции при x → −2 − 0 и при x → −2 + 0:

lim

f (x) =

lim

 

еx+ 2

− 1

 

=

еx+ 2 − 1 (x + 2)

=

 

 

 

 

 

 

при x

→ −2

x→−2−0

x→−2−0 (x + 2)(x + 1)

 

 

= lim

 

x + 2

 

 

=

lim

1

 

 

= −1;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x→−2−0 (x + 2)(x + 1)

x→−2−0 x + 1

 

 

 

lim

f (x) =

lim

 

 

 

еx+ 2 − 1

 

= −1.

 

 

 

 

 

+ 2)(x + 1)

 

 

x→−2+0

x→−2−0 (x

 

 

 

Получили, что существуют конечные пределы справа и слева при x → −2 и они равны между собой. Следовательно, x = −2 − точка устранимого разрыва. В этой точке мы можем доопределить функ- цию до непрерывной:

 

ex+ 2 − 1

 

 

,если x ≠ −2,

 

f (x) =

(x + 2)(x + 1)

−1, если x = −2.

76

Найдем пределы функции при x → −1 − 0 и при x → −1 + 0:

 

 

 

еx+ 2

− 1

 

е − 1

 

lim

f (x) =

lim

 

 

=

 

 

 

= −∞;

 

 

−0

x→−1−0

 

x→−1−0 (x + 2)(x + 1)

 

 

 

 

 

 

 

еx+ 2

− 1

 

е − 1

 

lim

f (x) =

lim

 

 

=

 

 

 

= +∞.

 

 

+0

 

x→−1+0

 

x→−1+0 (x + 2)(x + 1)

 

 

 

 

Следовательно, x = −1 – точка разрыва второго рода.

Итак, x = −2 − точка устранимого разрыва, x = −1 – точка разрыва второго рода.

1.8. Асимптоты графиков функций

Пусть f(x) – некоторая функция, тогда для нахождения асимптот этой функции используются следующие формулы:

1) прямая, заданная уравнением х = а, является вертикальной асимптотой, если

lim f (x) = ∞;

x→a

2) прямая, заданная уравнением y = kx+b, является наклонной асимптотой, если

k = lim f (x) ;

x→∞ x

b = lim ( f (x) − kx).

x→∞

При этом указанные пределы могут быть различными при х → ∞

(для правой наклонной асимптоты) и при х → – ∞ (для левой на- клонной асимптоты);

3) при k = 0 получаем горизонтальную асимптоту.

Пример 1.8.1

Построить эскиз графика функции y = 2x2 + 1 . x + 4

Решение

1.Область определения: x (−∞, −4) (−4, ∞).

2.Функция не является ни четной, ни нечетной, так как

77

y(− x) =

2(− x)2

+ 1

=

2x2

+ 1

≠ ± y(x).

− x + 4

− x

+ 4

 

 

 

 

 

3.Найдем точки пересечения графика функции с осью OY. Пусть

x= 0, тогда y = 1/4, следовательно, точка (0, 1/4) – точка пересечения графика с осью OY.

4.Найдем точки пересечения графика функции с осью OX. Пусть

y= 0, тогда

2x2 + 1 = 0; x + 4

2x2 + 1 = 0.

Данное уравнение решений не имеет, а значит, график функции не пересекает ось OX.

5. Найдем промежутки постоянства знака значений функции. От- метим на числовой прямой точки, в которых числитель и знамена- тель равны нулю, и определим знаки получившихся интервалов:

f(x)

−

+

−4

X

6. Найдем асимптоты графика функции. Так как

lim

2x2

+ 1

= +∞, lim

2x2

+ 1

= −∞,

 

 

 

 

 

 

x→−4+0 x + 4

x→−4−0 x + 4

 

то x = −4 – уравнение вертикальной асимптоты. Наклонную асимптоту найдем по формуле y = kx + b, где

k = lim

f (x)

; b = lim ( f (x) − kx).

 

 

 

 

 

x→∞

 

x

 

 

x→∞

 

 

 

 

 

 

Тогда

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2x2 + 1

 

 

 

2x2 + 1

 

2 +

1

 

 

 

 

 

 

 

 

k = lim

= lim

= lim

x2

= 2;

 

 

 

 

x→∞ x(x + 4)

x→∞ x2 + 4x

x→∞

1+

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

78

 

 

2x2 + 1

 

 

 

 

2x2

+ 1− 2x(x + 4)

 

 

b = lim

 

 

− 2x

= lim

 

 

 

 

 

 

 

 

=

x + 4

 

 

x + 4

 

 

 

 

 

 

x→∞

 

 

x→∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

2x2 + 1− 2x2 − 8x

 

−8x + 1

 

−8 +

 

 

 

 

 

= lim

= lim

= lim

x

 

= −8.

 

 

 

 

 

 

x→∞

x + 4

 

 

x→∞ x + 4

 

x→∞

1+

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

Получили y = 2x − 8 – уравнение наклонной асимптоты.

Найдем точки пересечения наклонной асимптоты с осями координат:

x

0

4

y

–8

0

7. Построим эскиз графика функции (рис. 1.41).

 

Y

 

 

 

y = 2x − 8

−4

О

X

 

 

Рис. 1.41

Пример 1.8.2

Построить эскиз графика функции y = 16 − x2 .

4x − 6

Решение

1.Область определения: x (−∞, 3/2) (3/2, ∞).

2.Функция не является ни четной, ни нечетной, так как

79

 

16 − (− x)2

 

16

− x2

y(− x) =

 

=

 

 

≠ ± y(x).

4(− x) − 6

 

 

 

 

−4x − 6

3. Найдем точки пересечения графика функции с осью OY.

Пусть x = 0, тогда y = −8/3, значит, точка (0, −8/3) – точка пересе- чения графика с осью OY.

4. Найдем точки пересечения графика функции с осью OX. Пусть y = 0, тогда

16 − x2 = 0 16 − x2 = 0 x = ±4. 4x − 6

Следовательно, точки (4, 0) и (−4, 0) – точки пересечения с графи- ка осью OX.

5. Найдем промежутки постоянства знака значений функции. Отметим на числовой прямой точки, в которых числитель и зна-

менатель равны нулю, и определим знаки получившихся интервалов

f(x) +

–

+

 

-

 

−4

3/2

4

X

6. Найдем асимптоты графика функции. Так как

 

 

16 − x2

 

 

16 − x2

 

lim

 

= +∞, lim

 

= −∞,

 

 

x→

3

+0 4x − 6

x→

3

−0 4x − 6

 

 

 

 

2

 

 

2

 

 

 

то x = 3/2 – уравнение вертикальной асимптоты. Наклонную асимптоту найдем по формуле y = kx + b, где

 

k= lim

f (x)

, b = lim ( f (x) − kx).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x→∞

 

x

x→∞

 

 

 

 

 

 

 

 

Тогда

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

16 − x2

 

 

 

16 − x2

 

16

− 1

 

 

 

 

 

 

 

 

= −

1

 

k = lim

 

= lim

= lim

x2

;

 

 

 

 

 

 

x→∞ x(4x − 6) x→∞ 4x2 − 6x

x→∞

4 −

6

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

80