Методы решения физико-математических задач

Предел функции – определения, теоремы и свойства

Предел функции
Приводятся формулировки основных теорем и свойств предела функции. Даны определения конечных и бесконечных пределов в конечных точках и на бесконечности (двусторонних и односторонних) по Коши и Гейне. Рассмотрены арифметические свойства; теоремы, связанные с неравенствами; критерий сходимости Коши; предел сложной функции; свойства бесконечно малых, бесконечно больших и монотонных функций. Дано определение функции.
Содержание
См. также:

Определение предела функции

Первое определение предела функции по Гейне

Предел функции (по Гейне)
при ее аргументе x , стремящемся к x0 – это такое конечное число или бесконечно удаленная точка a , для которой выполняются следующие условия:
1) существует такая проколотая окрестность ○ U (x0 )  точки x0 , на которой функция f(x) определена;
2) для любой последовательности {xn }  ,  сходящейся к x0   : 
limn → ∞xn  = x0  , 
элементы которой принадлежат окрестности ○ U (x0 )  ,  последовательность { f (xn ) }  сходится к a:
limn → ∞  f (xn )  = a . 
Предел функции обозначают так:
limx → x0  f (x )  = a . 
Или   f (x )  → a   при   x → x0  . 
Здесь a и x0 могут быть как конечными числами, так и бесконечно удаленными точками: ∞,   – ∞,   + ∞ . 
Для бесконечно удаленных точек x0 приняты следующие обозначения:
f (∞ )  = limx → ∞  f (x ) ,    f (– ∞ )  = limx →  – ∞  f (x ) ,    f (+ ∞ )  = limx →  + ∞  f (x )  . 
Проколотая окрестность ○ U (x0 )  конечной точки x0 может быть как двусторонней, так и односторонней. В последнем случае, для левой окрестности пишут:
f (x0  – 0 )  = limx → x0  – 0  f (x )  = a . 
Для правой окрестности:
f (x0  + 0 )  = limx → x0  + 0  f (x )  = a . 

С помощью логических символов существования и всеобщности это определение можно записать следующим образом:
a = limx → x0  f (x )  def
 {∃ ○ U (x0 ) , ∀xn  ∈ ○ U (x0 ) , n = 1, 2, 3, ... , limn → ∞xn  = x0  ⇒ limn → ∞  f (xn )  = a }  . 

Второе определение по Коши

Предел функции (по Коши)
при ее аргументе x , стремящемся к x0 – это такое конечное число или бесконечно удаленная точка a , для которой выполняются следующие условия:
1) существует такая проколотая окрестность ○ U0 (x0 )  точки x0 , на которой функция f(x) определена;
2) для любой окрестности U (a )  точки a , принадлежащей ○ U0 (x0 )  ,  существует такая проколотая окрестность ○ U (x0 )  точки x0 , на которой значения функции принадлежат выбранной окрестности точки a :
f (x )  ∈ U (a )   при  x ∈ ○ U (x0 )  . 

Здесь a и x0 также могут быть как конечными числами, так и бесконечно удаленными точками. С помощью логических символов существования и всеобщности это определение можно записать следующим образом:
a = limx → x0  f (x )  def ∃○ U0 (x0 )   ∀ U (a )    ∃ ○ U (x0 )  ⊂ ○ U0 (x0 )   ∀x ∈ ○ U (x0 )  :   f (x )  ∈ U (a )  . 

Если в качестве множества ○ U0 (x0 )  взять левую или правую окрестность конечной точки, то получим определение предела по Коши слева или справа.

Теорема
Определения предела функции по Коши и по Гейне эквивалентны.
Доказательство

Применяемые окрестности точек

В приведенном выше определении применяются произвольные окрестности точек. Например, проколотой окрестностью конечной точки x0 является множество {x : x ∈ (x0  – δ1 , x0 )  ∪ (x0 , x0  + δ2 ) }  ,  где δ1  > 0,  δ2  > 0 – два положительных числа, которые определяют размер окрестности. Более подробно, см. «Окрестность точки».

Тогда, фактически, определение по Коши означает следующее.
Для любых положительных чисел δ1  > 0,  δ2  > 0 ,  существуют числа ε1 ,  ε2  ,  так что для всех x, принадлежащих проколотой окрестности точки x0   :  x ∈ ○ U (x0 , δ1 , δ2 )  ,  значения функции f (x )  принадлежат окрестности U (a, ε1 , ε2 )  точки a: f (x )  ∈ U (a, ε1 , ε2 )  , 
где ○ U (x0 , δ1 , δ2 )  =  {x : x ∈ (x0  – δ1 , x0 )  ∪  (x0 , x0  + δ2 ) }  ,  U (a, ε1 , ε2 )  =  {y : – ε1  < y – a < ε2 }  . 

С таким определением не совсем удобно работать, поскольку окрестности определяются с помощью четырех чисел δ1 , δ2 , ε1 , ε2  .  Но его можно упростить, если ввести окрестности с равноудаленными концами. То есть можно положить ε = ε1  = ε2  ,  δ = δ1  = δ2  .  Тогда мы получим определение, которое проще использовать при доказательстве теорем. При этом оно является эквивалентным определению, в котором используются произвольные окрестности. Доказательство этого факта приводится в разделе «Эквивалентность определений предела функции по Коши».

Тогда можно дать единое определение предела функции в конечных и бесконечно удаленных точках:
a = limx → x0  f (x )  def ∀ε > 0  ∃δε  > 0   ∀x ∈ ○ U (x0 , δε )  :  f (x )  ∈ U (a, ε )  . 
Здесь для конечных точек
○ U (x0 , δ )  = {x : 0 <  | x – x0  |  < δ }  ;    ○ U (x0  – 0, δ )  =  {x : 0 < x0  – x < δ }  ; 
○ U (x0  + 0, δ )  =  {x : 0 < x – x0  < δ }  . 
Любые окрестности бесконечно удаленных точек являются проколотыми:
○ U (∞, δ )  = U (∞, δ )  = {x :  | x |  > 1δ  }  ;    ○ U (+ ∞, δ )  = U (+ ∞, δ )  = {x : x > 1δ  }  ;    ○ U (– ∞, δ )  = U (– ∞, δ )  = {x : x < – 1δ  }  . 

Далее мы приводим формулировки определений предела функции по Коши для разных случаев, используя определения окрестностей с равноудаленными концами.

Конечные пределы функции в конечных точках

Число a называется пределом функции f(x) в точке x0 ,
если
1) функция f (x )  определена на некоторой проколотой окрестности конечной точки x0  ; 
2) для любого ε > 0 существует такое δε  > 0 ,  зависящее от ε ,  что для всех x , для которых 0 <  | x – x0  |  < δε  ,  выполняется неравенство
 |  f (x )  – a |  < ε . 

С помощью логических символов существования и всеобщности определение предела функции можно записать следующим образом:
a = limx → x0  f (x )  def ∀ε > 0  ∃δε  > 0  ∀x,   0 <  | x – x0  |  < δε  :  |  f (x )  – a |  < ε . 

Односторонние пределы.
Левый предел в точке x0 (левосторонний предел):
a = limx → x0  – 0  f (x )  def ∀ε > 0  ∃δε  > 0  ∀x,   0 < x0  – x < δε  :  |  f (x )  – a |  < ε . 
Правый предел в точке x0 (правосторонний предел):
a = limx → x0  + 0  f (x )  def ∀ε > 0  ∃δε  > 0  ∀x,   0 < x – x0  < δε  :  |  f (x )  – a |  < ε . 
Пределы слева и справа часто обозначают так:
f (x0  – 0 )  = limx → x0  – 0  f (x )  ;    f (x0  + 0 )  = limx → x0  + 0  f (x )  . 

Конечные пределы функции в бесконечно удаленных точках

Аналогичным образом определяются пределы в бесконечно удаленных точках.
a = limx → ∞  f (x )  def ∀ε > 0  ∃Nε  > 0   ∀x,   | x |  > Nε  :  |  f (x )  – a |  < ε . 
a = limx →  + ∞  f (x )  def ∀ε > 0  ∃Nε  > 0   ∀x > Nε  :  |  f (x )  – a |  < ε . 
a = limx →  – ∞  f (x )  def ∀ε > 0  ∃Nε  > 0   ∀x < – Nε  :  |  f (x )  – a |  < ε . 

Бесконечные пределы функции

limx → x0  f (x )  = ∞ def ∀M > 0  ∃δM  > 0  ∀x ∈ ○ U (x0 , δM )  :   |  f (x )  |  > M . 

Также можно ввести определения бесконечных пределов определенных знаков, равных + ∞ и – ∞  : 
limx → x0  f (x )  = + ∞ def ∀M > 0  ∃δM  > 0  ∀x ∈ ○ U (x0 , δM )  :   f (x )  > M . 
limx → x0  f (x )  = – ∞ def ∀M > 0  ∃δM  > 0  ∀x ∈ ○ U (x0 , δM )  :   f (x )  < – M . 

См. Бесконечный предел функции в конечной точке
Бесконечный предел функции на бесконечности

Свойства и теоремы предела функции

Далее мы считаем, что рассматриваемые функции определены в соответствующей проколотой окрестности точки x0  ,  которая является конечным числом или одним из символов: ∞,   + ∞,   – ∞ .  Также x0 может быть точкой одностороннего предела, то есть иметь вид α – 0 или α + 0 .  Окрестность ○ U (x0 )  является двусторонней для двустороннего предела и односторонней для одностороннего.

Основные свойства

Если значения функции f(x) изменить (или сделать неопределенными) в конечном числе точек x1, x2, x3, ... xn , то это изменение никак не повлияет на существование и величину предела функции в произвольной точке x0 . Доказательство

Если существует конечный предел limx → x0  f (x )  = a ,  то существует такая проколотая окрестность ○ U (x0 )  точки x0 , на которой функция f(x) ограничена:
 |  f (x )  |  ≤ M,  x ∈ ○ U (x0 ) ,  M > 0 .  Доказательство

Пусть функция f (x )  имеет в точке x0 конечный предел, отличный от нуля:
limx → x0  f (x )  = a ≠ 0 . 
Тогда, для любого числа c из интервала 0 < c <  | a |  ,  существует такая проколотая окрестность ○ U (x0 )  точки x0 , что для x ∈ ○ U (x0 )  , 
f (x )  > c ,    если a > 0 ; 
f (x )  < – c ,    если a < 0 .  Доказательство

Если, на некоторой проколотой окрестности точки x0  ,  f (x )  = c  – постоянная, то limx → x0  f (x )  = c .  Доказательство

Функция имеет предел в точке x0 тогда и только тогда, когда она имеет в этой точке равные односторонние пределы. Доказательство

Если существуют конечные пределы limx → x0  f1 (x )  = a1  и  limx → x0  f2 (x )  = a2 и на некоторой проколотой окрестности ○ U (x0 )  точки x0
f1 (x )  ≤  f2 (x )  , 
то a1  ≤ a2  .  Доказательство
Если существуют конечные пределы limx → x0  f1 (x )  = a1  и  limx → x0  f2 (x )  = a2  , 
и эти пределы связаны неравенством a1  < a2  , 
то существует такая проколотая окрестность ○ U (x0 )  точки x0  ,  в которой
f1 (x )  <  f2 (x ) ;  x ∈ ○ U (x0 )  .  Доказательство

Если на некоторой проколотой окрестности ○ U (x0 )  точки x0 :
φ (x )  ≤  f (x )  ≤ ψ (x )  , 
и существуют конечные (или бесконечные определенного знака) равные пределы:
limx → x0φ (x )  = limx → x0ψ (x )  = a ,  то
limx → x0  f (x )  = a . 
См. Теорема о пределе промежуточной функции

Если limx → x0g (x )  = ∞ ,  и на некоторой окрестности точки x0
 |  f (x )  |  ≥  | g (x )  |  , 
то limx → x0  f (x )  = ∞ . 
В частности, если на некоторой окрестности точки x0
f (x )  ≥ g (x )  , 
то если limx → x0g (x )  = + ∞ ,  то и limx → x0  f (x )  = + ∞ ; 
если limx → x0  f (x )  = – ∞ ,  то и limx → x0g (x )  = – ∞ .  Доказательство

Если функция g (x )  на некоторой проколотой окрестности точки x0 по абсолютной величине ограничена снизу положительным числом:
 | g (x )  |  ≥ M > 0 , 
а функция f (x )  является бесконечно большой при x → x0 :
limx → x0  f (x )  = ∞ , 
то их произведение является бесконечно большой функцией при x → x0   : 
limx → x0(g (x )  ⋅  f (x ) )  = ∞ .  Доказательство

Арифметические свойства предела функции

Пусть функции f (x )  и g (x )  определены в некоторой проколотой окрестности точки x0  .  И пусть существуют конечные пределы:
limx → x0  f (x )  = a  и  limx → x0g (x )  = b . 
И пусть C – постоянная, то есть заданное число. Тогда
limx → x0(C ⋅  f (x )  )  = C ⋅ a ; 
limx → x0 ( f (x )  ± g (x ) )  = a ± b ; 
limx → x0 ( f (x )  ⋅ g (x ) )  = a ⋅ b ; 
limx → x0f (x ) g (x )  = ab  ,    если b ≠ 0 .  Доказательство

Если limx → x0  f (x )  = a ,  то limx → x0  |  f (x )  |  =  | a |  . 

Критерий Коши существования предела функции

Теорема
Для того, чтобы функция f (x )  ,  определенная на некоторой проколотой окрестности конечной или бесконечно удаленной точки x0 , имела в этой точке конечный предел, необходимо и достаточно, чтобы для любого ε > 0 существовала такая проколотая окрестность ○ U (x0 , δε )  точки x0 , что для любых точек x ∈ ○ U (x0 , δε )   и  x′′ ∈ ○ U (x0 , δε )  из этой окрестности, выполнялось неравенство:
 |  f (x )  –  f (x′′ )  |  < ε .  Доказательство

Предел сложной функции

Теорема о пределе сложной функции
Пусть функции t = g (x )   и  y =  f (t )  имеют пределы:
limx → x0g (x )  = t0  ; 
limt → t0  f (t )  = y0  . 
И пусть существует такая проколотая окрестность ○ U0 (x0 )  точки x0  ,  на которой
g (x )  ≠ t0 ;  x ∈ ○ U0 (x0 )  . 
Тогда существует предел сложной функции f (g (x ) )  ,  и он равен y0   : 
limx → x0  f (g (x ) )  = y0  . 
Здесь x0 ,  t0 ,  y0 – конечные или бесконечно удаленные точки: x0 , t0 , y0  ∈ R .  Окрестности и соответствующие им пределы могут быть как двусторонние, так и односторонние.
Доказательство

Теорема о пределе сложной функции применяется в том случае, когда функция f (t )  не определена в точке t0 или имеет значение, отличное от предельного y0  .  Для применения этой теоремы, должна существовать проколотая окрестность ○ U0 (x0 )  точки x0  ,  на которой множество значений функции g не содержит точку t0   : 
t0  ∉ g (○ U (x0 ) )  . 

Теорема о пределе функции от монотонной функции
Пусть функции t = g (x )   и  y =  f (t )  имеют пределы:
limx → x0g (x )  = t0  ; 
limt → t0  f (t )  = y0  . 
И пусть существует такая проколотая окрестность ○ U0 (x0 )  точки x0  ,  на которой функция g (x )  строго монотонна. Причем монотонность слева и справа от x0 может иметь разные знаки.
Тогда существует предел сложной функции f (g (x ) )  ,  и он равен y0   : 
limx → x0  f (g (x ) )  = y0  . 
Здесь x0 ,  t0 ,  y0 – конечные или бесконечно удаленные точки: x0 , t0 , y0  ∈ R .  Окрестности и соответствующие им пределы могут быть как двусторонние, так и односторонние.
Доказательство

Предел сложной непрерывной функции

Если функция f (t )  непрерывна в точке t0  ,  то знак предела можно применять к аргументу непрерывной функции:
limx → x0  f (g (x ) )  =  f(limx → x0g (x )  )  . 
Далее приводится теорема, соответствующая этому случаю.

Теорема о пределе непрерывной функции от функции
Пусть существует предел функции t = g(x) при x → x0 , и он равен t0 :
limx → x0g (x )  = t0  . 
Здесь точка x0 может быть конечной или бесконечно удаленной: x0  ∈ R . 
И пусть функция f(t)  непрерывна в точке t0 .
Тогда существует предел сложной функции f(g(x)) , и он равен f(t0) :
limx → x0  f (g (t ) )  =   f(limx → x0g (t )  )  =  f (t0 )  . 
Доказательство

Бесконечно малые и бесконечно большие функции

Бесконечно малые функции

Бесконечно малая функция
при x → x0 – это такая функция α (x )  ,  предел которой при x → x0 равен нулю:
limx → x0α (x )  = 0 . 

Сумма, разность и произведение конечного числа бесконечно малых функций при x → x0 является бесконечно малой функцией при x → x0  . 

Произведение функции, ограниченной на некоторой проколотой окрестности точки x0  ,  на бесконечно малую при x → x0 является бесконечно малой функцией при x → x0  . 
Доказательство

Для того, чтобы функция f (x )  имела конечный предел limx → x0  f (x )  = A ,  необходимо и достаточно, чтобы
f (x )  = A + α (x )  , 
где α (x )  – бесконечно малая функция при x → x0  .  Доказательство

Бесконечно большие функции

Бесконечно большая функция
при x → x0 – это такая функция f (x )  ,  предел которой при x → x0 равен бесконечности:
limx → x0  f (x )  = ∞ . 

Свойства бесконечно больших функций

Сумма или разность ограниченной функции, на некоторой проколотой окрестности точки x0  ,  и бесконечно большой функции при x → x0 является бесконечно большой функцией при x → x0  .  Доказательство

Если функция f (x )  является бесконечно большой при x → x0  ,  а функция g (x )  – ограничена, на некоторой проколотой окрестности точки x0  ,  то
limx → x0g (x ) f (x )  = 0 .  Доказательство

Если функция f (x )  ,  на некоторой проколотой окрестности точки x0  ,  удовлетворяет неравенству:
 |  f (x )  |  ≥ M > 0 , 
а функция α (x )  является бесконечно малой при x → x0   : 
limx → x0α (x )  = 0 ,  и  α (x )  ≠ 0 (на некоторой проколотой окрестности точки x0), то
limx → x0f (x ) α (x )  = ∞ .  Доказательство

Cм. также: Свойства неравенств с бесконечно большими функциями ⇑.

Связь между бесконечно большими и бесконечно малыми функциями

Из двух предыдущих свойств вытекает связь между бесконечно большими и бесконечно малыми функциями.

Если функция f (x )  являются бесконечно большой при x → x0  ,  то функция 1f (x )  является бесконечно малой при x → x0  . 

Если функция α (x )  являются бесконечно малой при x → x0  ,  и α (x )  ≠ 0 ,  то функция 1α (x )  является бесконечно большой при x → x0  . 

Связь между бесконечно малой и бесконечно большой функцией можно выразить символическим образом:
1 = 0 ,    10 = ∞ . 

Если бесконечно малая функция имеет определенный знак при x → x0  ,  то есть положительна (или отрицательна) на некоторой проколотой окрестности точки x0  ,  то этот факт можно выразить так:
limx → x0α (x )  = + 0 (limx → x0α (x )  = – 0  )  . 
Точно также если бесконечно большая функция имеет определенный знак при x → x0  ,  то пишут:
limx → x0  f (x )  = + ∞ (limx → x0  f (x )  = – ∞  )  . 

Тогда символическую связь между бесконечно малыми и бесконечно большими функциями можно дополнить следующими соотношениями:
1+ 0 = + ∞ ,    1– 0 = – ∞ , 
1+ ∞ = + 0 ,    1– ∞ = – 0 . 

Дополнительные формулы, связывающие символы бесконечности, можно найти на странице
«Бесконечно удаленные точки и их свойства».

Пределы монотонных функций

Строго возрастающая функция
Функция f (x )  ,  определенная на некотором множестве действительных чисел X называется строго возрастающей, если для всех x,  x′′ ∈ X таких что x < x′′ выполняется неравенство:
f (x )  <  f (x′′ )  . 
Строго убывающая функция
Функция называется строго убывающей, если для всех x,  x′′ ∈ X таких что x < x′′ выполняется неравенство:
f (x )  >  f (x′′ )  . 
Неубывающая функция
Функция называется неубывающей, если для всех x < x′′ ;    x,  x′′ ∈ X  : 
f (x )  ≤  f (x′′ )  . 
Невозрастающая функция
Функция называется невозрастающей, если для всех x < x′′ ;    x,  x′′ ∈ X  : 
f (x )  ≥  f (x′′ )  . 
Монотонная функция
Функция называется монотонной, если она неубывающая или невозрастающая.

Отсюда следует, что строго возрастающая функция также является неубывающей. Строго убывающая функция также является невозрастающей.

Теорема
Пусть функция f (x )  не убывает на интервале (a, b )  ,  где – ∞ ≤ a < b ≤ + ∞ . 
Если она ограничена сверху числом M : f (x )  ≤ M ,  то существует конечный предел limx → b – 0  f (x )  ≤ M .  Если f (x )  не ограничена сверху, то limx → b – 0  f (x )  = + ∞ . 
Если f (x )  ограничена снизу числом m : f (x )  ≥ m ,  то существует конечный предел limx → a + 0  f (x )  ≥ m .  Если f (x )  не ограничена снизу, то limx → a + 0  f (x )  = – ∞ . 
Доказательство

Если точки a и b являются бесконечно удаленными, то в выражениях под знаками пределов подразумевается, что + ∞ – 0 = + ∞;   – ∞ + 0 = – ∞ . 
Эту теорему можно сформулировать более компактно.

Пусть функция f (x )  не убывает на интервале (a, b )  ,  где – ∞ ≤ a < b ≤ + ∞ .  Тогда существуют односторонние пределы в точках a и b :
limx → b – 0  f (x )  = sup(a,b )   f (x )  ; 
limx → a + 0  f (x )  = inf(a,b )   f (x )  . 

Аналогичная теорема для невозрастающей функции.

Пусть функция f (x )  не возрастает на интервале (a, b )  ,  где – ∞ ≤ a < b ≤ + ∞ .  Тогда существуют односторонние пределы:
limx → b – 0  f (x )  = inf(a,b )   f (x )  ; 
limx → a + 0  f (x )  = sup(a,b )   f (x )  . 

Определение функции, верхней и нижней грани

Функцией
y = f(x) называется закон (правило), согласно которому, каждому элементу x множества X ставится в соответствие один и только один элемент y множества Y .

Элемент x X называют аргументом функции или независимой переменной.
Элемент y Y называют значением функции или зависимой переменной.

Множество X называется областью определения функции.
Множество элементов y Y , которые имеют прообразы в множестве X , называется областью или множеством значений функции.

Если это особо не оговорено, мы рассматриваем функции, области определения и множества значений которых принадлежат множеству действительных чисел.

Ограниченная функция
Действительная функция f (x )  называется ограниченной сверху (снизу), если существует такое число M , что для всех x ∈ X выполняется неравенство:
f (x )  ≤ M  (f (x )  ≥ M  )  . 
Числовая функция f (x )  называется ограниченной, если существует такое число M , что для всех x ∈ X  : 
 |  f (x )  |  ≤ M . 
Верхняя грань функции
Верхней гранью или точной верхней границей sup  f действительной функции f (x )  называют наименьшее из чисел, ограничивающее область ее значений сверху. То есть это такое число s , для которого f (x )  ≤ s для всех x ∈ X и для любого s < s ,  найдется такой аргумент x0  ∈ X ,  значение функции от которого превосходит s′ : f (x0 )  > s . 
Верхняя грань функции f (x )  может обозначаться так:
sup  f ,  supX  f ,  supx ∈ X  f (x )  . 
Нижняя грань функции
Нижней гранью или точной нижней границей inf  f действительной функции f (x )  называют наибольшее из чисел, ограничивающее область ее значений снизу. То есть это такое число i , для которого f (x )  ≥ i для всех x ∈ X и для любого i > i ,  найдется такой аргумент x0  ∈ X ,  значение функции от которого меньше чем i′ : f (x0 )  < i . 
Нижняя грань функции f (x )  может обозначаться так:
inf  f ,  infX  f ,  infx ∈ X  f (x )  . 

Использованная литература:
Л.Д. Кудрявцев. Курс математического анализа. Том 1. Москва, 2003.
С.М. Никольский. Курс математического анализа. Том 1. Москва, 1983.

Автор: Олег Одинцов.     Опубликовано:   Изменено:

Меню