Методы решения физико-математических задач

Критерий Коши существования предела функции

Критерий Коши существования предела функции
Определение условия Коши для функции. Формулировка и доказательство критерия Коши существования предела функции.

Определение

Условие Коши
Функция f(x) , определенная на некоторой проколотой окрестности ○U(x0 ) конечной или бесконечно удаленной точки x0 удовлетворяет условию Коши, если для любого ε > 0 существует такая проколотая окрестность ○U(x0 , δε ) точки x0 , так что, для любых точек x ′ ∈ ○U(x0 , δε )  и  x ′′ ∈ ○U(x0 , δε ) из этой окрестности, выполняется неравенство:
|f(x′) – f(x′′)| < ε .

Более кратко условие Коши можно записать так:
∀ε > 0  ∃δε  > 0   ∀x ′, x ′′ ∈ ○U(x0 , δε ) :  |  f (x ′ ) –  f (x ′′ ) |  < ε .

Теорема. Критерий Коши существования предела функции

Пусть функция f(x) определена на некоторой проколотой окрестности конечной или бесконечно удаленной точки x0 .
Для того, чтобы она имела в этой точке конечный предел,
необходимо и достаточно, чтобы выполнялось условие Коши:
∀ε > 0  ∃δε  > 0   ∀x ′, x ′′ ∈ ○U(x0 , δε ) :  |  f (x ′ ) –  f (x ′′ ) |  < ε .
Доказательство

Доказательство необходимости

Пусть функция  f (x ) имеет в точке x0 конечный предел
a = limx → x0  f (x ) .
Согласно определению предела функции по Коши это означает, что имеется такая функция δ1 (ε1 ) > 0 , так что для любого числа ε1  > 0 выполняется неравенство
 |  f (x ) – a |  < ε1 при x ∈ ○U(x0 , δ1 (ε1 )) .

Тогда при выбранном числе ε1  > 0 и при x ′, x ′′ ∈ ○U(x0 , δ1 (ε1 )) имеем:
 |  f (x ′ ) –  f (x ′′ ) |  =  |  f (x ′ ) – a – ( f (x ′′ ) – a ) |  ≤
  |  f (x ′ ) – a |  +  |  f (x ′′ ) – a |  < ε1  + ε1  = 2ε1 .
Положим ε = 2ε1 . Тогда
 |  f (x ′ ) –  f (x ′′ ) |  < ε при x ′, x ′′ ∈ ○U(x0 , δ1 (ε / 2 )) .

То есть мы нашли такую функцию δ(ε ) = δ1 (ε / 2 ) , так что для любого числа ε > 0 выполняется неравенство
 |  f (x ′ ) –  f (x ′′ ) |  < ε при x ′, x ′′ ∈ ○U(x0 , δ(ε )) .
Это означает, что выполняется условие Коши.

Доказательство достаточности

Пусть в точке x0 выполняется условие Коши. То есть существует такая функция δ(ε ) , так что для любого числа ε > 0 выполняется неравенство
(1)    |  f (x ′ ) –  f (x ′′ ) |  < ε при x ′, x ′′ ∈ ○U(x0 , δ(ε )) .
Докажем, что функция  f (x ) имеет в точке x0 конечный предел
a = limx → x0  f (x ) .
Для доказательства мы применим определение предела функции по Гейне и Критерий Коши сходимости последовательности.

Пусть {xn } есть произвольная последовательность, элементы которой принадлежат проколотой окрестности ○U(x0 ) , на которой определена функция  f (x ) . И пусть эта последовательность сходится к x0 :
limn → ∞ xn  = x0 .
Рассмотрим последовательность { f (xn )} . Сначала мы докажем, что она сходится. Затем докажем, что любые такие последовательности сходятся к одному числу.

Доказательство сходимости последовательности

Подставим в (1) x ′ = xn  и  x ′′ = xm :
(2)    |  f (xn ) –  f (xm ) |  < ε  при  xn , xm  ∈ ○U(x0 , δ(ε )) .
Воспользуемся универсальным определением предела последовательности. Поскольку limn → ∞ xn  = x0 , то для любой окрестности точки x0 существует такое натуральное число Nx , что все элементы последовательности {xn } с номерами n > Nx принадлежат этой окрестности. Применим это определение к окрестности ○U(x0 , δ(ε )) . Тогда для любого числа δ(ε ) существует такое число Nx (δ(ε )) , так что
xn  ∈ ○U(x0 , δ(ε )) при n > Nx (δ(ε )) .

Введем обозначение:
N(ε ) = Nx (δ(ε )) .
Тогда условие (2) примет вид:
 |  f (xn ) –  f (xm ) |  < ε  при  n, m > N(ε ) .
Но это есть условие Коши для последовательности { f (xn )} . Поэтому она сходится.

Доказательство единственности предела

Допустим противное. Пусть существуют две последовательности {x ′n } и {x ′′n } , элементы которых принадлежат области определения функции  f (x ) и сходящиеся к x0 , но последовательности { f (x ′n )} и { f (x ′′n )} сходятся к разным пределам:
limn → ∞  f (x ′n ) = a,  limn → ∞  f (x ′′n ) = b,  a ≠ b .

Составим новую последовательность {xn } из последовательностей {x ′n } и {x ′′n } , чередованием их членов:
{xn } = {x ′1,  x ′′1,  x ′2,  x ′′2,  x ′3,  x ′′3, ... } .
Последовательность {xn } сходится к x0 . Но последовательность { f (xn )} = { f (x ′1 ),   f (x ′′1 ),   f (x ′2 ),   f (x ′′2 ),   f (x ′3 ),   f (x ′′3 ), ... } не имеет предела, поскольку содержит две подпоследовательности { f (x ′n )} и { f (x ′′n )} , сходящиеся к различным числам (см. свойства подпоследовательностей).

Возникает противоречие, поскольку, как мы только что доказали, любая последовательность { f (xn )} должна иметь предел, если limn → ∞ xn  = x0 и xn  ∈ ○U(x0 ) .

Теорема доказана.

Использованная литература:
О.И. Бесов. Лекции по математическому анализу. Часть 1. Москва, 2004.

Автор: Олег Одинцов.     Опубликовано:

▲
Меню