Методы решения физико-математических задач

Теорема о пределе производной

Теорема о пределе производной
Доказательство теоремы о пределе производной двумя способами.

Теорема о пределе производной

1. Пусть функция  f (x )  дифференцируема в некоторой проколотой окрестности ○ U (x0 )  точки x0  , 
непрерывна в этой точке,
и существует конечный предел производной
limx → x0   f  ′(x )  = A , 
то существует производная в x0  ,  равная этому пределу:
 f  ′(x0 )  = A . 

2. Если функция  f (x )  дифференцируема в левой проколотой окрестности точки x0  , 
непрерывна слева в этой точке,
и существует конечный левый предел производной
limx → x0  – 0  f  ′(x )  = A , 
то существует левая производная в x0  ,  равная этому пределу:
 f  ′– (x0 )  = A . 

3. Если функция  f (x )  дифференцируема в правой проколотой окрестности точки x0  , 
непрерывна справа в этой точке,
и существует конечный правый предел производной
limx → x0  + 0  f  ′(x )  = A , 
то существует правая производная в x0  ,  равная этому пределу:
 f  ′+ (x0 )  = A . 

Эту теорему можно записать в символическом виде.

limx → ~x0   f (x )  =  f (x0 ) ,  x0  ∈ R , 
limx → ~x0   f  ′(x )  = A ∈ R , 
∃ f  ′(~x0 )  = limx → ~x0   f  ′(x )  . 
Здесь ~x0  = x0 ,  x0  – 0 или x0  + 0 . 

Теорема также справедлива, если предел A принимает одно из бесконечных значений: + ∞ или – ∞ .  Этот случай исключен из формулировки ради соблюдения формальности. Если значение производной, то есть значение соответствующего предела равно бесконечности, то говорят, что производной не существует. Это связано с тем, что наиболее фундаментальным понятием (для функций многих переменных) является не наличие производной, а свойство дифференцируемости функции, которое нельзя ввести при бесконечной производной.

В обратную сторону теорема не работает. Например, функция
 f (x )  = { 
x 2 sin 1x , x ≠ 0
0, x = 0
 

имеет производную  f  ′(0 )  = 0 ,  но не имеет предела limx → 0  f  ′(x )  . 

Пусть условия теоремы о пределе производной выполняются. Выразим производную в x0  через приращения. По теореме о пределе производной и определению производной:
 f  ′(x0 )  = limx → x0   f  ′(x )  =  limx → x0  limΔx → 0  f (x + Δx )  –  f (x ) Δx ≡  limx → x0  limΔx → 0 Δ f (x ) Δx  . 
По определению производной и в силу непрерывности функции в x0   : 
 f  ′(x0 )  = limΔx → 0 Δ f (x0 ) Δx ≡  limΔx → 0  f (x0  + Δx )  –  f (x0 ) Δx = 
 limΔx → 0 limx → x0   f (x + Δx )  –  f (x ) Δx ≡  limΔx → 0 limx → x0  Δ f (x ) Δx  . 
Сравнивая, получаем:
limx → x0  limΔx → 0 Δ f (x ) Δx = limΔx → 0 limx → x0  Δ f (x ) Δx  . 
То есть, при указанных условиях, предельные переходы можно переставлять.

Доказательство 1 (через сложную функцию)

Доказательство для правого предела

Доказательство начнем для случая с правой производной. По условию, функция  f (x )  дифференцируема в некоторой проколотой правой окрестности точки x0  ,  скажем при x ∈ (x0 , x0  + δ )  ,  и непрерывна справа в этой точке. Поскольку дифференцируемая функция автоматически является непрерывной, то она непрерывна при x ∈ [x0 , x0  + δ )  . 

Сформулируем исходные данные теоремы.
Функция  f (x )   : 
(1)   определена и непрерывна при x0  ≤ x < x0  + δ (в x0  непрерывна справа);
(2)   имеет производную  f  ′(x )  при x0  < x < x0  + δ ; 
(3)   limx → x0  + 0  f  ′(x )  = A . 
Необходимо показать, что она имеет правую производную в x0  ,  равную предельному значению:
 f  ′+ (x0 )  = A . 

Для этого найдем предел, который является определением производной:
(4)    f  ′+ (x0 )  = limx1  → x0  + 0  f (x1 )  –  f (x0 ) x1  – x0   ,  где x0  < x1  < x0  + δ . 
Воспользуемся теоремой Лагранжа конечных приращений.
Поскольку  f (x )  непрерывна при x0  ≤ x ≤ x1  и дифференцируема при x0  < x < x1  ,  то существует точка ξ : x0  < ξ < x1  ,  в которой
(5)    f  ′(ξ )  =  f (x1 )  –  f (x0 ) x1  – x0   . 
Подставляя в (4), имеем:
 f  ′+ (x0 )  = limx1  → x0  + 0  f  ′(ξ )  . 

При фиксированном значении x0  ,  ξ является функцией от x1  .  Она может быть многозначной, поскольку (5) может выполняться для различных значений ξ . Мы выберем одно из них. Тогда ξ будет однозначной функцией от x1   : 
ξ = ξ (x1 )  . 

Таким образом, нам нужно вычислить предел сложной функции:
 f  ′+ (x0 )  = limx1  → x0  + 0  f  ′(ξ (x1 ) )  . 
Применим теорему о пределе сложной функции.
1. Поскольку x0  < ξ (x1 )  < x1  ,    и   limx1  → x0  + 0 x1  = x0  ,  то по теореме о пределе промежуточной функции,
limx1  → x0  + 0 ξ (x1 )  = x0  . 
2. По условию теоремы (3):
limξ → x0  + 0  f  ′(ξ )  = A . 
3. Кроме этого, ξ (x1 )  ≠ x0  . 
Все условия теоремы о пределе сложной функции выполнены. По этой теореме
limx1  → x0  + 0  f  ′(ξ (x1 ) )  = A ,  или
 f  ′+ (x0 )  = A = limx → x0  + 0  f  ′(x )  . 

Пункт 3 теоремы доказан.

Доказательство для левого предела

Для левой производной точка x1  находится слева от x0  .  Выпишем основные формулы для этого случая, не повторяя рассуждений, поскольку они идентичны рассмотренным выше.

Сформулируем исходные данные теоремы.
Функция  f (x )   : 
определена и непрерывна при x0  – δ < x ≤ x0  (в x0  непрерывна слева);
имеет производную  f  ′(x )  при x0  – δ < x < x0  ; 
limx → x0  – 0  f  ′(x )  = A . 
Необходимо показать, что она имеет левую производную в x0  ,  равную предельному значению:
 f  ′– (x0 )  = A . 

По определению производной и теореме Лагранжа конечных приращений:
 f  ′– (x0 )  = limx1  → x0  – 0  f (x0 )  –  f (x1 ) x0  – x1  =  limx1  → x0  – 0  f  ′(ξ (x1 ) )  . 

Применяем теорему о пределе сложной функции.
1. x1  < ξ (x1 )  < x0 ,   limx1  → x0  – 0 x1  = x0   ⇒   limx1  → x0  – 0 ξ (x1 )  = x0  . 
2. limξ → x0  – 0  f  ′(ξ )  = A . 
3. ξ (x1 )  ≠ x0  . 
⇓ 
 f  ′– (x0 )  = limx1  → x0  – 0  f  ′(ξ (x1 ) )  =  limξ → x0  – 0  f  ′(ξ )  = A = limx → x0  – 0  f  ′(x )  . 

Пункт 2 теоремы доказан.

Доказательство для двустороннего предела

Теперь докажем теорему для двустороннего предела.
1. Если функция  f (x )  дифференцируема в некоторой проколотой окрестности точки x0  ,  то существуют левая и правая проколотые окрестности этой точки, в которой она дифференцируема.
2. Если функция непрерывна в x0  ,  то она непрерывна слева и справа в этой точке.
3. Поскольку существует конечный предел производной
limx → x0   f  ′(x )  = A . 
то существуют односторонние равные пределы:
limx → x0  – 0  f  ′(x )  = A;   limx → x0  + 0  f  ′(x )  = A . 
4. Все условия для доказанных пунктов 2 и 3 выполнены. На их основе существуют левая и правая равные производные функции в точке x0   : 
 f  ′– (x0 )  = A;   f  ′+ (x0 )  = A . 
5. По лемме об односторонних производных, функция имеет в x0  производную
 f  ′(x0 )  = A . 

Теорема доказана.

Доказательство 2 (через определение предела по Гейне)

Предел (4) можно найти другим способом, используя определение предела функции по Гейне.

Перепишем исходные данные для функции  f (x )  . 
Функция  f (x )   : 
определена и непрерывна при x0  ≤ x < x0  + δ (в x0  непрерывна справа);
имеет производную  f  ′(x )  при x0  < x < x0  + δ ; 
(6)   limx → x0  + 0  f  ′(x )  = A . 
Необходимо показать, что она имеет правую производную в x0  ,  равную предельному значению производной:
 f  ′+ (x0 )  = A . 

Для этого найдем предел
(7)    f  ′+ (x0 )  = limx → x0  + 0  f (x )  –  f (x0 ) x – x0   ,  где x0  < x < x0  + δ . 
Введем обозначение
(8)   F (x )  =  f (x )  –  f (x0 ) x – x0   . 

Применим определение предела по Гейне.
Предварительно заметим, что в силу (6), для любой последовательности {zn }  ,  сходящейся справа к x0  , 
(9)   limn → ∞  f  ′(zn )  = A . 

Возьмем произвольную последовательность {xn }  ,  сходящуюся справа к x0   : 
limn → ∞ xn  = x0 ,  x0  < xn  < x0  + δ . 
Для вычисления предела (7), нам нужно найти предел последовательности {F (xn ) }  с общим членом
(10)   F (xn )  =  f (xn )  –  f (x0 ) xn  – x0   . 
Воспользуемся теоремой Лагранжа конечных приращений.
Поскольку  f (x )  непрерывна при x0  ≤ x ≤ xn  и дифференцируема при x0  < x < xn  ,  то существует точка
(11)   ξn  : x0  < ξn  < xn  ,  в которой
 f (xn )  –  f (x0 ) xn  – x0  =  f  ′(ξn )  . 
Если таких точек несколько, возьмем одну из них. Подставляя в (10), имеем:
(12)   F (xn )  =  f  ′(ξn )  . 

Поскольку, согласно (11), ξn  заключена между точкой x0  и сходящейся к x0  последовательностью xn  ,  то по теореме о двух милиционерах
limn → ∞ ξn  = x0  . 
То есть последовательность {ξn }  сходится справа к x0  .  Используя (12)   и   (9), находим:
limn → ∞ F (xn )  = limn → ∞  f  ′(ξn )  = A . 
Поскольку это выполняется для любой последовательности {xn }  ,  сходящейся справа к x0  ,  то
limx → x0  + 0 F (x )  = A . 
Вспоминая (8)   и   (7), получаем, что существует производная справа в x0  ,  и она равна предельному значению производной A:
 f  ′+ (x0 )  = A . 

Третий пункт теоремы доказан.

Таким же способом доказывается второй пункт, который отличается только тем, что произвольная последовательность {xn }  сходится к x0  слева. Доказательство первого пункта одинаково для обоих способов и приведено выше.

Использованная литература:
Я.М. Дымарский. Лекции по математическому анализу. Часть 1. Функции одной переменной. Москва, МФТИ, 2020.
Г.Е. Иванов. Лекции по математическому анализу. Часть 1. ©Иванов Г.Е., 2018.
Л.Д. Кудрявцев. Курс математического анализа. Том 1. Москва, 2003.
А.Ю. Петрович. Лекции по математическому анализу. Часть 1. Введение в математический анализ. Москва, МФТИ, 2017.
А.М. Тер-Крикоров, М.И. Шабунин. Курс математического анализа. Москва, ФИЗМАТЛИТ, 2001.

Автор: Олег Одинцов.     Опубликовано:

▲
Меню