Предел функции. Предел функции в точке и при

Предел функции в точке и при

Предел функции — основной аппарат математического анализа. С его помощью определяется в дальнейшем непрерывность функции, производная, интеграл, сумма ряда.

Пусть функция y = f (x) определена в некоторой окрестности точки , кроме, быть может самой точки .

Сформулируем два, эквивалентных между собой, определения предела функции в точке.

Определение 1 (на «языке последовательностей», или по Гейне). Число b называется пределом функции y = f (x) в точке (или при ), если для любой последовательности допустимых значений аргумента сходящейся к (т.е. ), последовательность соответствующих значений функции сходится к числу b (т.е. ).

В этом случае пишут или при . Геометрический смысл предела функции: означает, что для всех точек х, достаточно близких к точке , соответствующие значения функции как угодно мало отличаются от числа b.

Определение 2 (на «языке e-d », или по Коши). Число b называется пределом функции y = f (x) в точке (или при ), если для любого положительного числа e найдётся такое положительное число d, что для всех удовлетворяющих неравенству , выполняется неравенство .

Записывают .

Это определение коротко можно записать так:

Заметим, что можно записать и так .

Геометрический смысл предела функции: , если для любой e-окрестности точки b найдётся такая d-окрестность точки , что для всех из этой d-окрестности соответствующие значения функции f (x) лежат в e-окрестности точки b. Иными словами, точки графика функции y = f (x) лежат внутри полосы шириной 2e, ограниченной прямыми у = b + e, у = b - e (рисунок 17). Очевидно, что величина d зависит от выбора e, поэтому пишут d = d(e).

В определении предела функции считается, что х стремится к любым способом: оставаясь меньшим, чем (слева от ), большим, чем (справа от ), или колеблясь около точки .

Бывают случаи, когда способ приближения аргумента х к существенно влияет на значение предела функции. Поэтому вводят понятия односторонних пределов.

Определение. Число называется пределом функции y = f (x) слева в точке , если для любого числа e > 0 существует число d = d(e) > 0, такое, что при , выполняется неравенство .

Предел слева записывается так или коротко (обозначение Дирихле) (рисунок 18).

Аналогично определяется предел функции справа, запишем его с помощью символов:

Коротко предел справа обозначается .

Пределы функции слева и справа называются односторонними пределами. Очевидно, если существует , то существуют оба односторонних предела, причём .

Справедливо и обратное утверждение: если существуют оба предела и и они равны, то существует предел и .

Если же , то не существует.

Определение. Пусть функция y = f (x) определена в промежутке . Число b называется пределом функции y = f (x) при х ® ¥, если для любого числа e > 0 существует такое число М = М (e) > 0, что при всех х, удовлетворяющих неравенству выполняется неравенство . Коротко это определение можно записать так:

Если х ® +¥, то пишут , если х ® -¥, то пишут , если = , то их общее значение принято обозначать .

Геометрический смысл этого определения таков: для , что при и соответствующие значения функции y = f (x) попадают в e-окрестность точки b, т.е. точки графика лежат в полосе шириной 2e, ограниченной прямыми и (рисунок 19).

Бесконечно большие функции (б.б.ф)

Бесконечно малые функции (б.м.ф)

Определение. Функция y = f (x) называется бесконечно большой при , если для любого числа М > 0 существует число d = d(М) > 0, что для всех х, удовлетворяющих неравенству , выполняется неравенство Записывается или при .

Коротко:

Например, функция есть б.б.ф. при .

Если f (x) стремится к бесконечности при и принимает лишь положительные значения, то пишут ; если лишь отрицательные значения, то .

Определение. Функция y = f (x), заданная на всей числовой оси, называется бесконечно большой при , если для любого числа М > 0 найдётся такое число N = N (М) > 0, что для всех х, удовлетворяющих неравенству , выполняется неравенство Записывается . Коротко:

Например, есть б.б.ф. при .

Отметим, что если аргумент х, стремясь к бесконечности, принимает лишь натуральные значения, т.е. , то соответствующая б.б.ф. становится бесконечно большой последовательностью. Например, последовательность является бесконечно большой последовательностью. Очевидно, всякая б.б.ф. в окрестности точки является неограниченной в этой окрестности. Обратное утверждение неверно: неограниченная функция может не быть б.б.ф. (Например, )

Однако, если , где b - конечное число, то функция f (x ограничена в окрестности точки .

Действительно, из определения предела функции следует, что при выполняется условие . Следовательно, при , а эот означает, что функция f (x) ограничена.

Определение. Функция y = f (x) называется бесконечно малой при , если

По определению предела функции это равенство означает: для любого числа найдётся число такое, что для всех х, удовлетворяющих неравенству , выполняется неравенство .

Аналогично определяется б.м.ф. при

: Во всех этих случаях .

Бесконечно малые функции часто называют бесконечно малыми величинами или бесконечно малыми; обозначаются обычно греческими буквами a, b и т.д.

Примерами б.м.ф. служат функции при

Другой пример: - бесконечно малая последовательность.

Пример Доказать, что .

Решение. Функцию 5 + х можно представить в виде суммы числа 7 и б.м.ф. х - 2 (при ), т.е. выполнено равенство . Следовательно, по теореме 3.4.6 получаем .

Основные теоремы о пределах

Рассмотрим теоремы (без доказательства), которые облегчают нахождение пределов функции. Формулировка теорем для случаев, когда и , аналогично. В приводимых теоремах будем считать, что пределы , существуют.

Теорема 5.8 Предел суммы (разности) двух функций равен сумме (разности) их пределов: .

Теорема 5.9 Предел произведения двух функций равен произведению их пределов:

Отметим, что теорема справедлива для произведения любого конечного числа функций.

Следствие 3 Постоянный множитель можно выносить за знак предела: .

Следствие 4 Предел степени с натуральным показателем равен той же степени предела: . В частности,

Теорема 5.10 Предел дроби равен пределу числителя, делённому на предел знаменателя, если предел знаменателя не равен нулю:

Пример Вычислить

Решение.

Пример Вычислить

Решение. Здесь применить теорему о пределе дроби нельзя, т.к. предел знаменателя, при равен 0. Кроме того, предел числителя равен 0. В таких случаях говорят, что имеем неопределённость вида . Для её раскрытия разложим числитель и знаменатель дроби на множители, затем сократим на :

Пример Вычислить

Решение. Здесь мы имеем дело с неопределённость вида . Для нахождения предела данной дроби разделим числитель и знаменатель на :

Функция есть сумма числа 2 и б.м.ф., поэтому

Признаки существования пределов

Не всякая функция, даже ограниченная, имеет предел. Например, функция при предела не имеет. Во многих вопросах анализа бывает достаточно только убедится в существовании предела функции. В таких случаях пользуются признаками существования предела.

Первый и второй замечательные пределы

Определение. При вычислении пределов выражений, содержащих тригонометрические функции, часто используют предел

,

называемый первым замечательным пределом.

Читается: предел отношения синуса к его аргументу равен единице, когда аргумент стремится к нулю.

Пример Найти

Решение. Имеем неопределённость вида . Теорема о пределе дроби неприменима. Обозначим тогда при и

Пример 3 Найти

Решение.

Определение. Равенства и называются вторым замечательным пределом.

Замечание. Известно, что предел числовой последовательности

имеет предел, равный е: . Число е называют неперовым числом. Число е иррациональное, его приближённое значение равно 2,72 (е = 2, 718281828459045…). Некоторые свойства числа е делают особенно удобным выбор этого числа в качестве основания логарифмов. Логарифмы по основанию е называются натуральными логарифмами и обозначаются Заметим, что

.

Примем без доказательства утверждение, что к числу е стремится и функция

Если положить то из следует . Эти равенства широко используются при вычислении пределов. В приложениях анализа большую роль играет показательная функция с основанием е. Функция называется экспоненциальной, употребляется также обозначение

Пример Найти

Решение. Обозначим очевидно, при Имеем

Вычисление пределов

Для раскрытия неопределённостей вида часто бывает полезным применять принцип замены бесконечно малых эквивалентными и другие свойства эквивалентных бесконечно малых функций. Как известно, ~ x при т.к. ~ x при , т.к.

Пример Покажем, что ~ при .

Решение.

Пример Найдём

Решение. Обозначим Тогда и при . Поэтому

Следовательно, ~ x при .

Пример Покажем, что ~ при .

Решение. Так как

то ~ при .

Ниже приведены важнейшие эквивалентности, которые используются при вычислении пределов.

1. ~ x при ;	6. ~ x ();
2. ~ x ();	7. ~ ();
3. ~ x ();	8. ~ x ();
4. ~ x ();	9. ~ ();
5. ~ ();	10. ~ в частности ~ ().

Пример Найти

Решение. Так как ~ 2 x, ~ 3 x при , то

Пример Найти

Решение. Обозначим , из следует . Поэтому

Пример Найти

Решение. Так как ~ (x - 1) при , то

Пример Найти приближённое значение для .

Решение. . Для сравнения результата по таблице логарифмов находим, что .