Методы решения физико-математических задач

Теорема о разрывах производной

Производная дифференцируемой функции разрывов первого рода не имеет
Показано, что производная дифференцируемой функции не может иметь точек разрывов первого рода, но может иметь разрывы второго рода.
()(\newcommand{\tg}{\mathop{\mathrm{tg}}\nolimits})() ()(\newcommand{\arctg}{\mathop{\mathrm{arctg}}\nolimits})() ()(\newcommand{\ctg}{\mathop{\mathrm{ctg}}\nolimits})() ()(\newcommand{\arcctg}{\mathop{\mathrm{arcctg}}\nolimits})() ()(\newcommand{\sh}{\mathop{\mathrm{sh}}\nolimits})() ()(\newcommand{\ch}{\mathop{\mathrm{ch}}\nolimits})() ()(\newcommand{\th}{\mathop{\mathrm{th}}\nolimits})() ()(\newcommand{\cth}{\mathop{\mathrm{cth}}\nolimits})() ()(\newcommand{\arsh}{\mathop{\mathrm{arsh}}\nolimits})() ()(\newcommand{\arch}{\mathop{\mathrm{arch}}\nolimits})() ()(\newcommand{\arth}{\mathop{\mathrm{arth}}\nolimits})() ()(\newcommand{\arcth}{\mathop{\mathrm{arcth}}\nolimits})()

Теорема о разрывах производной

Если функция  f (x) дифференцируема на интервале a < x < b‍,
то ее производная не может иметь точек разрыва первого рода на этом интервале,
но может иметь точки разрыва второго рода.
То есть в точке x0 ∈ (a, b) производная или непрерывна, или имеет разрыв второго рода.

Доказательство

Доказательство отсутствия разрывов производной первого рода

Допустим противное, что в точке x0 ∈ (a, b) производная  f  ′(x) имеет разрыв первого рода. Согласно определению (см. Классификация точек разрыва) это означает, что существуют односторонние конечные пределы:
(1)   limx → x0 – 0  f  ′(x) = A–   и   limx → x0 + 0  f  ′(x) = A+‍,
но
1) либо производной в x0 не существует,
2) либо хотя бы один из пределов не равен производной в этой точке:
A– ≠  f  ′(x0)   или(и)   A+ ≠  f  ′(x0)‍.

Пункт 1) противоречит условию теоремы. Поскольку если функция  f (x) дифференцируема в x0 ∈ (a, b)‍, то существует производная в x0‍.

Поскольку существует производная в x0‍, то существуют равные производные слева и справа (см. Лемма об односторонних производных):
(2)    f  ′–(x0) ≡ limx → x0 – 0  f (x) –  f (x0)x – x0 =
  f  ′+(x0) ≡ limx → x0 + 0  f (x) –  f (x0)x – x0 =
  f  ′(x0) ≡ limx → x0  f (x) –  f (x0)x – x0‍.

Поскольку существуют односторонние конечные пределы (1), то по теореме о пределе производной, они равны односторонним производным:
limx → x0 – 0  f  ′(x) =  f  ′–(x0)  limx → x0 – 0  f  ′(x) =  f  ′–(x0)‍.

Тогда в силу (2), односторонние пределы производной равны производной функции в x0‍, что противоречит предположению, что в этой точке разрыв первого рода.

Отсутствие разрывов 1 рода доказано.

Доказательство существования разрывов производной второго рода

Для доказательства приведем пример такого разрыва. Рассмотрим функцию

 f (x) ={ 
x 2 sin 1x ,x ≠ 0
0, x = 0
 

При x ≠ 0 ее производная определена в силу арифметических свойств производных и производной сложной функции.

Покажем, что производная имеет конечное значение 0 при x = 0‍.
 f  ′(0) = limx → 0  f (x) –  f (0)x – 0 = limx → 0 x 2 sin 1x – 0x – 0 = limx → 0( x sin 1x  )‍.
Поскольку limx → 0 x = 0‍, и | sin 1x  | ≤ 1‍, то по теореме о произведении ограниченной функции на бесконечно малую,
 f  ′(0) = limx → 0( x sin 1x  ) = 0‍.

Таким образом мы показали, что производная функции определена для всех x‍.

Но в точке x = 0 производная имеет разрыв второго рода, поскольку предела limx → 0 + 0  f  ′(x)   не существует. Покажем это.

Находим  f  ′(x) при x ≠ 0‍:
u = 1x‍;   u ′ = ( 1x ) ′ = (x –1) ′ = –1 ⋅ x –2 = – 1x 2‍;
( sin 1x  ) ′ = ( sin u(x) ) ′ = (sin u) ′u ⋅ u ′ = cos u ⋅ ( – 1x 2 ) = –x –2 cos 1x‍;
 f  ′(x) = ( x 2 sin 1x  ) ′ = (x 2) ′ sin 1x + x 2 ( sin 1x  ) ′ = 2x sin 1x – cos 1x‍;
 f  ′(x) = 2x sin 1x – cos 1x‍.

Возьмем последовательность { x1n : 1x1n = π2 + πn }‍. При n → ∞,  x1n → 0 + 0‍. Поскольку limx → 0( x sin 1x  ) = 0  и  cos 1x1n = 0‍, то
limn → ∞  f  ′(x1n) = limn → ∞( 2x1n sin 1x1n – cos 1x1n  ) = 0 – 0 = 0‍.

Возьмем последовательность { x2n : 1x2n = 2πn }‍. При n → ∞,  x2n → 0 + 0‍. Поскольку limx → 0( x sin 1x  ) = 0  и  cos 1x2n = 1‍, то
limn → ∞  f  ′(x1n) = limn → ∞( 2x2n sin 1x2n – cos 1x2n  ) = 0 – 1 = –1‍.

Мы нашли две последовательности {x1n} и {x2n}‍, сходящиеся к нулю справа. Поскольку пределы последовательностей { f  ′(x1n)}  и  { f  ′(x2n)} различны, {x1n} > 0‍, и {x2n} > 0‍, то предела limx → 0 + 0  f  ′(x)   не существует. См. Определение предела функции по Гейне

В заключении отметим, что если в x0 не существует производной, то в этой точке может быть скачек первого рода. Например, у функции  f (x) = | x | ‍,
 f  ′(x) = –1 при x < 0‍;
 f  ′(x) = 1 при x > 0‍.
В точке x = 0 разрыв первого рода.

Использованная литература:
Я.М. Дымарский. Лекции по математическому анализу. Часть 1. Функции одной переменной. Москва, МФТИ, 2020.
А.М. Тер-Крикоров, М.И. Шабунин. Курс математического анализа. Москва, ФИЗМАТЛИТ, 2001.

Автор: Олег Одинцов.     Опубликовано:

▲
Меню