Методы решения физико-математических задач

Доказательство первого замечательного предела и его следствий

Первый замечательный предел и его следствия
Приводится доказательство первого замечательного предела и его следствий. Дается определение длины дуги окружности как верхней грани множества длин ломаных, вписанных в дугу.
()(\newcommand{\tg}{\mathop{\mathrm{tg}}\nolimits})() ()(\newcommand{\arctg}{\mathop{\mathrm{arctg}}\nolimits})()

Первый замечательный предел и его следствия

Первый замечательный предел – это предел, на основе которого вычисляются производные тригонометрических функций.

Лемма. Первый замечательный предел
limx → 0 sin xx = 1.
Доказательство ⇓

Следствия первого замечательного предела
limx → 0 tg xx = 1;
limx → 0 arcsin xx = 1;
limx → 0 arctg xx = 1.
Доказательство ⇓

Доказательство первого замечательного предела

Доказательство первого замечательного предела
Доказательство первого замечательного предела:
SCAB < SCADB < SCEB.

Пусть точки A и B лежат на окружности радиуса R с центром в точке C: |CA| = |CB| = R (см. рисунок). Через точку A проведем высоту AH треугольника ABC. Через точку B проведем перпендикуляр BE к отрезку BC до пересечения с прямой CA в точке E. Пусть α – угол, выраженный в радианах, между сторонами CA и CB:
α =  | ⁔ADB | R.
Здесь  | ⁔ADB |  – длина дуги окружности.

А) Рассмотрим случай 0 < α < π / 2.
Поскольку длина отрезка AB является кратчайшим расстоянием между точками A и B, то
 | AB |  <  | ⁔ADB | .
Из прямоугольника ABH имеем:
 | AH |  = √  | AB |  2 –  | BH |  2  <  | AB |  <  | ⁔ADB | ;
 | AH |  <  | ⁔ADB | .
Подставим  | AH |  = R sin α,   | ⁔ADB |  = Rα:
R sin α < Rα.
Разделим на положительное число Rα:
(1)   sin αα < 1.

Согласно приведенной ниже лемме ⇓,
 | ⁔ADB |   <  | EB | .
Подставим сюда  | ⁔ADB |  = Rα,   | EB |  = R tg α:
Rα < R tg α = R sin αcos α.
Умножим на положительное число cos αRα:
(2)   cos α < sin αα.

Из (1) и (2) имеем:
(3)   cos α < sin αα < 1  при  0 < α < π / 2.

Б) Теперь рассмотрим отрицательные значения –π / 2 < α < 0.
Тогда β = –α – положительное. Подставим в (3) и воспользуемся четностью косинуса и нечетностью синуса:
cos β < sin ββ < 1;
cos(–α) < sin(–α)–α < 1;
cos(α) <  – sin(α)–α < 1;
cos(α) < sin αα < 1.
Таким образом, неравенства (3) выполняются как для положительных, так и для отрицательных значений 0 <  | α |  < π / 2:
(4)   cos α < sin αα < 1  при  0 <  | α |  < π / 2.

В силу непрерывности функции косинус:
limα → 0 cos α = cos(0) = 1.
Переходим в (4) к пределу α → 0. Применяя теорему о промежуточной функции, получаем:
limα → 0 sin αα = 1.
Наконец, обозначим переменную α буквой x:
limx → 0 sin xx = 1.

Первый замечательный предел доказан.

Доказательство следствий первого замечательного предела

Формулировка ⇑

1) Докажем, что limx → 0 tg xx = 1:
limx → 0 tg xx = limx → 0 sin xx cos x = limx → 0[  sin xx ⋅ 1cos x ] =
 limx → 0 sin xx ⋅ 1limx → 0cos x = 1 ⋅ 1cos(0) = 1.
Здесь мы, кроме доказанного выше первого замечательного предела, использовали арифметические свойства пределов функций и непрерывность функции косинус.

Следствие 1) доказано.

2) Докажем, что limx → 0 arcsin xx = 1:
limx → 0 arcsin xx = limx → 0 arcsin xsin arcsin x = limt → 0 tsin t = limt → 0 1sin tt = 1limt → 0 sin tt = 11 = 1.
Приведем пояснения к вычислениям, двигаясь с конца. Мы использовали первый замечательный предел: limt → 0 sin tt = 1, применили арифметические свойства пределов функций: limt → 0 1sin tt = 1limt → 0 sin tt.

Далее мы воспользовались теоремой о пределе сложной функции. Поясним этот переход более подробно. Пусть
F(x) = arcsin xsin arcsin x.
Тогда эту функцию можно представить как сложную:
F(x) =  f (t(x)),
где  f (t) = tsin t,   t(x) = arcsin x.
Чтобы применить теорему о пределе сложной функции, нам нужно показать три вещи:
a) что существует предел t0 = limx → x0 t(x);
b) что существует такая проколотая окрестность  ○U(x0) точки x0, на которой
t(x) ≠ t0  при  x ∈  ○U(x0).
c) что существует предел  f 0 = limt → t0  f (t).

Покажем это.
a) Поскольку функция арксинус непрерывна на своей области определения, то предел равен значению функции в x0:
t0 = limx → x0 t(x) = limx → 0 arcsin x = arcsin(0) = 0.
b) Если бы функция  f (t) = tsin t была непрерывной в точке t0 = 0, то и не было бы условия b), а предел  f 0 равнялся бы значению функции в t0:  f 0 = limt → t0  f (t) =  f (t0). Но в нашем случае, функция  f (t) = tsin t не определена при t = t0 = 0, и поэтому не является непрерывной в t0. Нам нужно доказать, что существует такая проколотая окрестность  ○U(x0)  точки  x0, на которой
t(x) = arcsin x ≠ t0  при  x ∈  ○U(x0).
Такая окрестность существует, поскольку функция t(x) = arcsin x строго монотонна и поэтому имеет значение t0 = 0 только в одной точке. Это точка x = x0 = 0. Поскольку t(x) = arcsin x ≠ 0 при x ≠ 0, то на любой проколотой окрестности точки x0 = 0, t(x) = arcsin x ≠ t0 = 0. Пункт b) выполнен.
c) Выше мы показали, что существует предел
 f 0 = limt → t0  f (t) = limt → 0 1sin tt = 1.

И, наконец, исходя из определения функции арксинус,
x = sin arcsin x  при  –1 ≤ x ≤ 1.

Следствие 2) доказано.

3) Здесь доказательство аналогично предыдущему.
Поскольку limx → 0 arctg x = arctg(0) = 0,  и  arctg x ≠ 0  при  x ≠ 0, то
limx → 0 arctg xx = limx → 0 arctg xtg arctg x = limt → 0 ttg t = limt → 0 1tg tt = 1limt → 0 tg tt = 11 = 1.

Следствия доказаны.

Доказательство леммы

Определение длины дуги окружности

В классической математике мы научились определять расстояния между точками и вычислять длину отрезка. Положение точки A на плоскости определяется ее двумя координатами A(xA, yA) относительно заранее выбранной прямоугольной системы координат xy. Тогда длина отрезка AB есть расстояние между точками A и B:
 | AB |  = √ (xB – xA) 2 + (yB – yA) 2 .
Основываясь на этом, мы можем определить длину окружности средствами математического анализа.

Рассмотрим дугу окружности ⁔AB (см. рисунок ⇓). Разместим на ней произвольным образом n точек A1, A2,..., An, нумеруя их от точки A к точке B. Число n тоже произвольно. Соединим точки попарно отрезками AA1, A1 A2,..., An B. В результате получим ломаную AA1 A2 ⋅ ⋅ ⋅An B. Будем называть ее ломаной, вписанной в дугу окружности. Суммируя длины всех отрезков, мы получим длину ломаной lAA1 A2 ⋅ ⋅ ⋅An B:
lAA1 A2 ⋅ ⋅ ⋅An B =  | AA1 |  +  | A1 A2 |  +  | A2 A3 |  + ⋅ ⋅ ⋅ +  | An B | .
Рассматривая произвольные ломаные, построенные таким способом, мы получим множество длин ломаных {lAA1 A2 ⋅ ⋅ ⋅An B : Ai ∈  ⁔AB}, вписанных в дугу ⁔AB.

Длина дуги окружности
Длиной дуги окружности называется верхняя грань множества длин всех ломаных, вписанных в эту дугу:
 | ⁔AB |  = supAi ∈  ⁔AB lAA1 A2 ⋅ ⋅ ⋅An B.

Доказательство леммы

Лемма
Пусть ⁔AB – дуга окружности с центром в точке C. И пусть BE⊥BC и точка A принадлежит отрезку CE. Тогда
 | ⁔AB |  <  | EB | .

Длина ломаной, вписанной в дугу, меньше |BE|
Длина ломаной, вписанной в дугу AB, меньше длины отрезка |BE|.

Доказательство

Рассмотрим произвольную ломаную AA1 A2 ⋅ ⋅ ⋅An B, вписанную в дугу ⁔AB. Через центр окружности C и каждую вершину Ai ломаной проведем отрезок CEi до пересечения с отрезком BE в точке Ei.

Через точку E2 проведем отрезок E2 E ′1, параллельно A2 A1, до пересечения с отрезком CE1 в точке E ′1. Треугольники CA1 A2 и CE ′1E2 равнобедренные и подобные. Из их подобия имеем:
 | A1 A2 |  <  | E ′1E2 | .

Поскольку треугольник CE ′1E2 равнобедренный, то угол CE ′1E2 < π / 2. Тогда E2 E ′1E1 > π / 2. Используя теорему косинусов, имеем:  | E ′1E2 |  <  | E1 E2 | .

Таким образом
 | A1 A2 |  <  | E ′1E2 |  <  | E1 E2 | , или
 | A1 A2 |  <  | E1 E2 | .
Выполняя подобные построения для остальных вершин ломаной, получим:
 | AA1 |  <  | EE1 | ;
 | Ai Ai + 1 |  <  | Ei Ei + 1 | , где 1 ≤ i ≤ n – 1.

Поскольку в треугольнике BAn En, угол BAn En > π / 2, то
 | An B |  <  | En B | .

Применяя эти неравенства, покажем, что длина ломаной AA1 A2 ⋅ ⋅ ⋅An B меньше длины отрезка EB:
lAA1 A2 ⋅ ⋅ ⋅An B =  | AA1 |  +  | A1 A2 |  + ⋅ ⋅ ⋅ +  | An B |  <  | EE1 |  +  | E1 E2 |  + ⋅ ⋅ ⋅ +  | En B |  =  | EB | ;
lAA1 A2 ⋅ ⋅ ⋅An B <  | EB | .
Переходя к точной верхней границе, получаем:
(Л1)    | ⁔AB |  ≤  | EB | .

Длина окружности меньше длины описанного многоугольника
Длина дуги окружности AB меньше длины отрезка EB.

Теперь докажем, что  | ⁔AB |  <  | EB | .

Для этого из точки A проведем отрезок AK, перпендикулярно CE, чтобы точка K принадлежала EB. И пусть N – точка пересечения отрезка CK с дугой ⁔AB. Применяя (Л1) к треугольникам CAK и CKB, получим:
 | ⁔AN |  ≤  | AK | ;
 | ⁔NB |  ≤  | KB | .
Из прямоугольника KAE имеем:
 | AK |  <  | EK | .
Тогда
 | ⁔AB |  =  | ⁔AN |  +  | ⁔NB |  ≤  | AK |  +  | KB |  <  | EK |  +  | KB |  =  | EB | .
Или  | ⁔AB |  <  | EB | .

Лемма доказана.

Автор: Олег Одинцов.     Опубликовано:   Изменено:

▲
Меню