Предел функции – определения, теоремы и свойства
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
f 1 (x )  ≤ f 2 (x )  ,
то a1  ≤ a2 . Доказательство
и эти пределы связаны неравенством a1  < a2 ,
то существует такая проколотая окрестность ○ U (x0 )  точки x0 , в которой
f 1 (x )  < f 2 (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 → x0  φ (x )  = limx → x0  ψ (x )  = a , то
limx → x0  f (x )  = a .
См. Теорема о пределе промежуточной функции
Если limx → x0  g (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 → x0  g (x )  = + ∞ , то и limx → x0  f (x )  = + ∞ ;
если limx → x0  f (x )  = – ∞ , то и limx → x0  g (x )  = – ∞ . Доказательство
| 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 → x0  g (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 → x0  f (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 → x0  g (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 → x0  g (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 → x0  g (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 → x0  g (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 → x0  g (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 → x0  α (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 → x0  g (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 → x0  α (x )  = 0 , и α (x )  ≠ 0 (на некоторой проколотой окрестности точки x0 ), то
limx → x0  f (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 1 f (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 → x0  α (x )  = + 0 ( limx → x0  α (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: