Як довести, що межа існує. Універсальне визначення межі функції по гейні та по коші

Межа функції- Число aбуде межею деякої величини, що змінюється, якщо в процесі своєї зміни ця змінна величина необмежено наближається до a.

Або іншими словами, число Aє межею функції y = f(x)у точці x 0, якщо для будь - якої послідовності точок з області визначення функції , не рівних x 0, і яка сходиться до точки x 0 (lim x n = x0), послідовність відповідних значень функції сходиться до A.

Графік функції, межа якої при аргументі, що прагне нескінченності, дорівнює L:

Значення Ає межею (граничним значенням) функції f(x)у точці x 0у разі, якщо для будь-якої послідовності точок , яка сходиться до x 0, але яка не містить x 0як один із своїх елементів (тобто в проколотій околиці x 0), послідовність значень функції сходиться до A.

Межа функції по Коші.

Значення Aбуде межею функції f(x)у точці x 0у разі, якщо для будь-якого вперед взятого невід'ємного числа ε буде знайдено відповідне йому невід'ємне число δ = δ(ε) таке, що для кожного аргументу x, що задовольняє умову 0 < | x - x0 | < δ , буде виконано нерівність | f(x) A |< ε .

Буде дуже просто, якщо ви розумієте суть межі та основні правила знаходження його. Те, що межа функції f (x)при xщо прагне до aдорівнює A, записується таким чином:

Причому значення, якого прагне змінна x, може бути не лише числом, а й нескінченністю (∞), іноді +∞ або -∞, або межі може взагалі не бути.

Щоб зрозуміти, як знаходити межі функціїнайкраще подивитися приклади рішення.

Необхідно знайти межі функції f (x) = 1/xпри:

x→ 2, x→ 0, x→ ∞.

Знайдемо рішення першої межі. Для цього можна просто підставити замість xчисло, якого вона прагне, тобто. 2, отримаємо:

Знайдемо другу межу функції. Тут підставляти у чистому вигляді 0 замість xне можна, тому що. ділити на 0 не можна. Але ми можемо брати значення, наближені до нуля, наприклад, 0,01; 0,001; 0,0001; 0,00001 і так далі, причому значення функції f (x)збільшуватиметься: 100; 1000; 10000; 100000 і так далі. В.о., можна зрозуміти, що за x→ 0 значення функції, що стоїть під знаком межі, необмежено зростатиме, тобто. прагнути до нескінченності. А значить:

Стосовно третьої межі. Така ж ситуація, як і в минулому випадку, неможливо підставити ∞ В чистому вигляді. Потрібно розглянути випадок необмеженого зростання x. По черзі підставляємо 1000; 10000; 100000 і так далі маємо значення функції f (x) = 1/xбуде спадати: 0,001; 0,0001; 0,00001; і так далі, прагнучи нуля. Тому:

Необхідно обчислити межу функції

Приступаючи до вирішення другого прикладу, бачимо невизначеність. Звідси знаходимо старший ступінь чисельника та знаменника - це x 3, Виносимо в чисельнику та знаменнику його за дужки і далі скорочуємо на нього:

Відповідь

Першим кроком у знаходження цієї межі, підставимо значення 1 замість x, у результаті маємо невизначеність . Для її вирішення розкладемо чисельник на множники, зробимо це методом знаходження коріння квадратного рівняння x 2 + 2x - 3:

D = 2 2 - 4 * 1 * (-3) = 4 +12 = 16→ √ D =√16 = 4

x 1,2 = (-2±4)/2→ x 1 = -3;x 2= 1.

Таким чином, чисельник буде таким:

Відповідь

Це визначення його конкретного значення чи певної області, куди потрапляє функція, обмежена межею.

Щоб вирішити межі, дотримуйтесь правил:

Розібравшись у суті та основних правилах вирішення межіВи отримаєте базове поняття про те, як їх вирішувати.

(x)у точці x 0 :
,
якщо
1) існує така проколота околиця точки x 0
2) для будь-якої послідовності ( x n ), що сходить до x 0 :
, елементи якої належать околиці ,
послідовність (f(x n))сходиться до a:
.

Тут x 0 і можуть бути як кінцевими числами, так і нескінченно віддаленими точками. Околиця може бути як двосторонньою, так і односторонньою.

.

Друге визначення межі функції (за Кошою)

Число a називається межею функції f (x)у точці x 0 :
,
якщо
1) існує така проколота околиця точки x 0 , де функція визначена;
2) для будь-якого позитивного числа ε > 0 існує таке число δε > 0 , що залежить від ε , що для всіх x , що належать проколоті δ ε - околиці точки x 0 :
,
значення функції f (x)належать ε - околиці точки a:
.

Крапки x 0 і можуть бути як кінцевими числами, так і нескінченно віддаленими точками. Околиця також може бути як двосторонньою, так і односторонньою.

Запишемо це визначення за допомогою логічних символів існування та загальності:
.

У цьому вся визначенні використовуються околиці з рівновіддаленими кінцями. Можна дати і еквівалентне визначення, використовуючи довільні околиці точок.

Визначення з використанням довільних околиць
Число a називається межею функції f (x)у точці x 0 :
,
якщо
1) існує така проколота околиця точки x 0 , де функція визначена;
2) для будь-якого околиці U (a)точки a існує така проколота околиця точки x 0 , що для всіх x , що належать проколоті околиці точки x 0 :
,
значення функції f (x)належать околиці U (a)точки a:
.

За допомогою логічних символів існування та загальності це визначення можна записати так:
.

Односторонні та двосторонні межі

Наведені вище визначення універсальні тому, що їх можна використовувати будь-яких типів околиць. Якщо, як ми використовуємо ліву проколоту околицю кінцевої точки, то отримаємо визначення лівосторонньої межі . Якщо в околиці використовувати околицю нескінченно віддаленої точки, то отримаємо визначення межі на нескінченності.

Для визначення межі по Гейні це зводиться до того що, що на довільну, схожу до , послідовність накладається додаткове обмеження - її елементи повинні належати відповідної проколотої околиці точки .

Для визначення межі по Коші необхідно у кожному разі перетворити висловлювання й у нерівності, використовуючи відповідні визначення околиці точки.
Див. «Навколо точки».

Визначення, що точка a не є межею функції

Часто виникає необхідність використовувати умову, що точка a не є межею функції при . Побудуємо заперечення до викладених вище ухвал. Вони ми припускаємо, що функція f (x)визначена на деякій проколотій околиці точки x 0 . Точки a та x 0 можуть бути як кінцевими числами, так і нескінченно віддаленими. Все сформульоване нижче стосується як двосторонніх, так і односторонніх меж.

За Гейном.
Число a не ємежею функції f (x)у точці x 0 : ,
якщо існує така послідовність ( x n ), що сходить до x 0 :
,
елементи якої належать околиці,
що послідовність (f(x n))не сходиться до a:
.
.

По Коші.
Число a не ємежею функції f (x)у точці x 0 :
,
якщо існує таке позитивне число? > 0 так для будь-якого позитивного числа δ > 0 існує таке x , що належить проколотій δ - околиці точки x 0 :
,
що значення функції f (x)не належить ε - околиці точки a :
.
.

Зрозуміло, якщо точка a не є межею функції при , то це не означає, що у неї не може бути межі. Можливо, існує межа , але вона не дорівнює a . Також можливий випадок, коли функція визначена в проколоті околиці точки , але не має межі при .

Функція f(x) = sin(1/x)не має межі за x → 0.

Наприклад, функція визначена при , але межі немає. Для доказу візьмемо послідовність. Вона сходиться до точки 0 : . Оскільки, то.
Візьмемо послідовність. Вона також сходиться до точки 0 : . Але оскільки, то.
Тоді межа не може дорівнювати жодному числу a. Дійсно, при , Існує послідовність , З якої . Тому будь-яке відмінне від нуля число не є межею. Але також не є межею, оскільки існує послідовність , з якою .

Еквівалентність визначень межі по Гейні та Коші

Теорема
Визначення межі функції по Гейні та Коші еквівалентні.

Доведення

При доказі ми припускаємо, що функція визначена в деякій проколоті околиці точки (кінцевої або нескінченно віддаленої). Точка a також може бути кінцевою чи нескінченно віддаленою.

Доказ Гейне ⇒ Коші

Нехай функція має у точці межу a згідно з першим визначенням (за Гейном). Тобто для будь-якої послідовності, що належить околиці точки і має межу
(1) ,
межа послідовності дорівнює a:
(2) .

Покажемо, що функція має межу в точці Коші. Тобто для кожного існує, що для всіх.

Допустимо неприємне. Нехай умови (1) та (2) виконані, але функція не має межі по Коші. Тобто існує таке, що для будь-кого існує, тож
.

Візьмемо , де n – натуральне число. Тоді існує , причому
.
Таким чином ми побудували послідовність, що сходить до, але межа послідовності не дорівнює a. Це суперечить умові теореми.

Першу частину доведено.

Доказ Коші ⇒ Гейне

Нехай функція має в точці межу a відповідно до другого визначення (за Кошою). Тобто для будь-кого існує, що
(3) для всіх .

Покажемо, що функція має межу a у точці за Гейном.
Візьмемо довільне число. Згідно з визначенням Коші, існує число , так що виконується (3).

Візьмемо довільну послідовність, що належить проколотому околиці і сходить до. За визначенням послідовності, що сходить, для будь-якого існує , що
при .
Тоді з (3) випливає, що
при .
Оскільки це виконується для будь-кого, то
.

Теорему доведено.

Використана література:
Л.Д. Кудрявці. Курс математичного аналізу. Том 1. Москва, 2003.

Математика - наука, що будує світ. Як вчений, так і проста людина - ніхто не зможе обійтися без неї. Спочатку маленьких дітей вчать рахувати, потім складати, віднімати, множити і ділити, до середньої школи вступають літерні позначення, а старшій без них вже не обійтися.

Але сьогодні йтиметься про те, на чому будується вся відома математика. Про угруповання чисел під назвою «межі послідовностей».

Що таке послідовності і де їхня межа?

Значення слова "послідовність" трактувати неважко. Це така побудова речей, де хтось чи щось розташований у певному порядку чи черзі. Наприклад, черга за квитками до зоопарку — це послідовність. До того ж вона може бути тільки одна! Якщо, наприклад, подивитися на чергу до магазину, це одна послідовність. А якщо одна людина з цієї черги раптом піде, то це вже інша черга, інший порядок.

Слово "межа" також легко трактується - це кінець чогось. Однак у математиці межі послідовностей — це значення на числової прямий, яких прагне послідовність чисел. Чому прагне, а чи не закінчується? Все просто, у числової прямої немає кінця, а більшість послідовностей, як промені, мають тільки початок і виглядають так:

х 1, х 2, х 3, … х n …

Звідси визначення послідовності – функція натурального аргументу. Простішими словами - це ряд членів деякої множини.

Як будується числова послідовність?

Найпростіший приклад числової послідовності може мати такий вигляд: 1, 2, 3, 4, …n…

Найчастіше для практичних цілей послідовності будуються із цифр, причому кожен наступний член ряду, позначимо його Х, має своє ім'я. Наприклад:

х 1 - перший член послідовності;

х 2 - другий член послідовності;

х 3 - третій член;

х n - енний член.

У практичних методах послідовність задається загальною формулою, де є деяка змінна. Наприклад:

Х n =3n, тоді сам ряд чисел виглядатиме так:

Варто не забувати, що при загальному записі послідовностей можна використовувати будь-які латинські літери, а не лише Х. Наприклад: y, z, k і т.д.

Арифметична прогресія як частина послідовностей

Перш ніж шукати межі послідовностей, доцільно глибше поринути у саме поняття подібного числового ряду, з яким усі стикалися, будучи середніх класах. Арифметична прогресія — це низка чисел, у якому різниця між сусідніми членами стала.

Завдання: «Нехай а 1 = 15, а крок прогресії числового ряду d = 4. Побудуйте перші 4 члени цього ряду»

Рішення: а 1 = 15 (за умовою) - перший член прогресії (числового ряду).

а 2 = 15 + 4 = 19 - другий член прогресії.

а 3 = 19 + 4 = 23 - третій член.

а 4 = 23 + 4 = 27 - четвертий член.

Однак подібним методом важко дістатися великих значень, наприклад до а 125. . Спеціально для таких випадків було виведено зручну для практики формулу: а n =a 1 +d(n-1). У разі а 125 =15+4(125-1)=511.

Види послідовностей

Більшість послідовностей нескінченні, це варто запам'ятати протягом усього життя. Існує два цікаві види числового ряду. Перший задається формулою а n = (-1) n . Математики часто називають цю послідовність мигалкою. Чому? Перевіримо її числовий ряд.

1, 1, -1 , 1, -1, 1 і т. д. На подібному прикладі стає ясно, що числа в послідовностях можуть легко повторюватися.

Факторіальна послідовність. Легко здогадатися - у формулі, що задає послідовність, є факторіал. Наприклад: а n = (n+1)!

Тоді послідовність буде виглядати так:

а 2 = 1х2х3 = 6;

а 3 = 1х2х3х4 = 24 і т.д.

Послідовність, задана арифметичною прогресією, називається нескінченно спадною, якщо всім її членів дотримується нерівність -1

а 3 = - 1/8 тощо.

Існує навіть послідовність, що складається з одного й того ж числа. Так, а n = 6 складається з нескінченної множини шісток.

Визначення межі послідовності

Межі послідовностей давно існують у математиці. Звичайно, вони заслужили на своє власне грамотне оформлення. Отже, час дізнатися про визначення меж послідовностей. Для початку докладно розглянемо межу для лінійної функції:

1. Усі межі позначаються скорочено lim.
2. Запис межі складається зі скорочення lim, будь-якої змінної, що прагне до певного числа, нуля або нескінченності, а також самої функції.

Легко зрозуміти, що визначення межі послідовності може бути сформульовано так: це деяке число, до якого нескінченно наближаються всі члени послідовності. Простий приклад: x = 4x+1. Тоді сама послідовність буде виглядати так.

5, 9, 13, 17, 21 ... x ...

Таким чином, дана послідовність нескінченно збільшуватиметься, а, отже, її межа дорівнює нескінченності при x→∞, і записувати це слід так:

Якщо ж взяти схожу послідовність, але їх буде прагнути до 1, то отримаємо:

А ряд чисел буде таким: 1.4, 1.8, 4.6, 4.944 і т. д. Щоразу потрібно підставляти число дедалі більше наближене до одиниці (0.1, 0.2, 0.9, 0.986). З цього ряду видно, що межа функції це п'ять.

З цієї частини варто запам'ятати, що така межа числової послідовності, визначення та метод вирішення простих завдань.

Загальне позначення межі послідовностей

Розібравши межу числової послідовності, визначення його та приклади, можна приступити до більш складної теми. Абсолютно всі межі послідовностей можна сформулювати однією формулою, яку зазвичай розбирають у першому семестрі.

Отже, що означає цей набір букв, модулів і знаків нерівностей?

∀ - квантор загальності, що замінює фрази "для всіх", "для всього" і т.п.

∃ — квантор існування, у разі означає, що існує деяке значення N, що належить безлічі натуральних чисел.

Довга вертикальна паличка, наступна за N, означає, що це безліч N «таке, що». Насправді вона може означати «така, що», «такі, що» тощо.

Для закріплення матеріалу прочитайте формулу вголос.

Невизначеність та визначеність межі

Метод знаходження межі послідовностей, який розглядався вище, хай і простий у застосуванні, але не такий раціональний на практиці. Спробуйте знайти межу для такої функції:

Якщо підставляти різні значення «ікс» (щоразу збільшуються: 10, 100, 1000 і т. д.), то в чисельнику отримаємо ∞, але в знаменнику теж ∞. Виходить досить дивний дріб:

Але чи це так насправді? Обчислити межу числової послідовності у разі здається досить легко. Можна було б залишити все, як є, адже відповідь готова, і отримана вона на розумних умовах, однак є ще один спосіб спеціально для таких випадків.

Для початку знайдемо старший ступінь у чисельнику дробу - це 1, тому що х можна уявити як х 1 .

Тепер знайдемо старший ступінь у знаменнику. Теж 1.

Розділимо і чисельник, і знаменник на змінну найвищою мірою. У разі дроб ділимо на х 1 .

Далі знайдемо, якого значення прагне кожне доданок, що містить змінну. У разі розглядаються дроби. При х→∞ значення кожного дробу прагне нуля. При оформленні роботи в письмовому вигляді варто зробити такі виноски:

Виходить наступне вираз:

Звичайно, дроби, що містять х, не стали нулями! Але їх значення настільки мало, що можна не враховувати його при розрахунках. Насправді ж х ніколи не дорівнюватиме 0 в даному випадку, адже на нуль ділити не можна.

Що таке околиця?

Припустимо, у розпорядженні професора складна послідовність, задана, очевидно, щонайменше складною формулою. Професор знайшов відповідь, але чи підходить він? Адже всі люди помиляються.

Огюст Коші свого часу вигадав відмінний спосіб для доведення меж послідовностей. Його спосіб назвали оперуванням околицями.

Припустимо, що є певна точка а, її околиця в обидві сторони на числової прямої дорівнює ε («епсілон»). Оскільки остання змінна — відстань, її значення завжди позитивно.

Тепер поставимо деяку послідовність х n і покладемо, що десятий член послідовності (x 10) входить в околицю а. Як записати цей факт математичною мовою?

Припустимо, х 10 знаходиться правіше від точки а тоді відстань х 10 -а<ε, однако, если расположить «икс десятое» левее точки а, то расстояние получится отрицательным, а это невозможно, значит, следует занести левую часть неравенства под модуль. Получится |х 10 -а|<ε.

Тепер настав час роз'яснити практично ту формулу, про яку йшлося вище. Деяке число а справедливо називати кінцевою точкою послідовності, якщо для будь-якої її межі виконується нерівність ε>0, причому вся околиця має свій натуральний номер N, такий, що всі члени послідовності з більш значними номерами виявляться всередині послідовності | x n - a |< ε.

З такими знаннями легко здійснити вирішення меж послідовності, довести чи спростувати готову відповідь.

Теореми

Теореми про межі послідовностей - важлива складова теорії, без якої неможлива практика. Є лише чотири головні теореми, запам'ятавши які, можна в рази полегшити хід рішення чи докази:

1. Єдиність межі послідовності. Межа в будь-якій послідовності може бути тільки одна або не бути зовсім. Той самий приклад із чергою, в якої може бути лише один кінець.
2. Якщо ряд чисел має межу, то послідовність цих чисел обмежена.
3. Межа суми (різниці, твори) послідовностей дорівнює сумі (різниці, твору) їх меж.
4. Межа приватного від поділу двох послідовностей дорівнює приватній межі тоді і лише тоді, коли знаменник не звертається в нуль.

Доказ послідовностей

Іноді потрібно вирішити обернену задачу, довести задану межу числової послідовності. Розглянемо з прикладу.

Довести, що межа послідовності, заданої формулою, дорівнює нулю.

За розглянутим вище правилом, для будь-якої послідовності має виконуватися нерівність | x n - a |<ε. Подставим заданное значение и точку отсчёта. Получим:

Виразимо n через «епсілон», щоб показати існування певного номера та довести наявність межі послідовності.

На цьому етапі важливо нагадати, що «епсілон» та «ен» - числа позитивні і не дорівнюють нулю. Тепер можна продовжувати подальші перетворення, використовуючи знання про нерівності, отримані у середній школі.

Звідки виходить, що n> -3 + 1/ε. Оскільки варто пам'ятати, що йдеться про натуральні числа, то результат можна округлити, занісши його в квадратні дужки. Таким чином, було доведено, що для будь-якого значення околиці «епсілон» точки а=0 знайшлося таке, що виконується початкова нерівність. Звідси можна сміливо стверджувати, що число є межа заданої послідовності. Що і потрібно було довести.

Ось таким зручним методом можна довести межу числової послідовності, якою б складною вона на перший погляд не була. Головне — не впадати в паніку, побачивши завдання.

А може, його нема?

Існування межі послідовності необов'язково практично. Легко можна зустріти такі ряди чисел, які справді не мають кінця. Наприклад, та сама «мигалка» x n = (-1) n . очевидно, що послідовність, що складається лише з двох цифр, що циклічно повторюються, не може мати межі.

Та ж історія повторюється з послідовностями, що складаються з одного числа, дробовими, що мають під час обчислень невизначеність будь-якого порядку (0/0, ∞/∞, ∞/0 тощо). Однак слід пам'ятати, що неправильне обчислення теж має місце. Іноді межу послідовностей знайти допоможе повторно перевіряти своє рішення.

Монотонна послідовність

Вище розглядалися кілька прикладів послідовностей, методи їх вирішення, а тепер спробуємо взяти певніший випадок і назвемо його «монотонною послідовністю».

Визначення: будь-яку послідовність справедливо називати монотонно зростаючою, якщо для неї виконується сувора нерівність x n< x n +1. Также любую последовательность справедливо называть монотонной убывающей, если для неё выполняется неравенство x n >x n +1.

Поряд із цими двома умовами існують також подібні несуворі нерівності. Відповідно, x n ≤ x n +1 (незменшуюча послідовність) і x n ≥ x n +1 (незростаюча послідовність).

Але легше розуміти таке на прикладах.

Послідовність, задана формулою х n = 2+n, утворює наступний ряд чисел: 4, 5, 6 тощо. буд. Це монотонно зростаюча послідовність.

А якщо взяти x n = 1/n, то отримаємо ряд: 1/3, ¼, 1/5 і т. д. Це монотонно спадна послідовність.

Межа схожої та обмеженої послідовності

Обмежена послідовність - послідовність, що має межу. Сходящаяся послідовність — ряд чисел, що має нескінченно малу межу.

Таким чином, межа обмеженої послідовності – це будь-яке дійсне чи комплексне число. Пам'ятайте, що межа може бути лише одна.

Межа послідовності, що сходить, - це величина нескінченно мала (дійсна або комплексна). Якщо накреслити діаграму послідовності, то певній точці вона буде сходитися, прагнути звернутися у певну величину. Звідси і назва - послідовність, що збігається.

Межа монотонної послідовності

Межа такої послідовності може бути, а може і не бути. Спочатку корисно зрозуміти, коли він є, звідси можна відштовхнутися за доказом відсутності межі.

Серед монотонних послідовностей виділяють схожу і розбіжну. Східна - це така послідовність, яка утворена безліччю х і має в даній множині дійсну або комплексну межу. Розбіжна - послідовність, яка не має межі у своїй множині (ні дійсної, ні комплексної).

Причому послідовність сходиться, якщо з геометричному зображенні її верхній і нижній межі сходяться.

Межа послідовності, що сходить, у багатьох випадках може дорівнювати нулю, так як будь-яка нескінченно мала послідовність має відому межу (нуль).

Яку послідовність, що сходить, не візьми, всі вони обмежені, проте далеко не всі обмежені послідовності сходяться.

Сума, різниця, добуток двох послідовностей, що сходяться - також послідовність, що сходить. Однак приватне може бути також схожим, якщо воно визначено!

Різні дії з межами

Межі послідовностей - це така ж істотна (у більшості випадків) величина, як і цифри та числа: 1, 2, 15, 24, 362 і т. д. Виходить, що з межами можна проводити деякі операції.

По-перше, як і цифри та числа, межі будь-яких послідовностей можна складати та віднімати. Виходячи з третьої теореми про межі послідовностей, справедливо таку рівність: межа суми послідовностей дорівнює сумі їх меж.

По-друге, виходячи з четвертої теореми про межі послідовностей, справедливо таку рівність: межа добутку n-ої кількості послідовностей дорівнює добутку їх меж. Те ж справедливо і для поділу: межа приватного двох послідовностей дорівнює частці їх меж, за умови що межа не дорівнює нулю. Адже якщо межа послідовностей дорівнюватиме нулю, то вийде поділ на нуль, що неможливо.

Властивості величин послідовностей

Здавалося б, межа числової послідовності вже розібрано досить докладно, проте неодноразово згадуються такі фрази, як «нескінченно маленькі» і «нескінченно великі» числа. Очевидно, якщо є послідовність 1/х, де x→∞, то такий дріб нескінченно малий, а якщо той самий послідовність, але межа прагне нуля (х→0), то дріб стає нескінченно великою величиною. А такі величини мають свої особливості. Властивості межі послідовності, що має будь-які малі або великі величини, полягають у наступному:

1. Сума будь-якої кількості скільки завгодно малих величин буде також малою величиною.
2. Сума будь-якої кількості великих величин буде нескінченно великою величиною.
3. Твір як завгодно малих величин нескінченно мало.
4. Добуток скільки завгодно великих чисел — величина нескінченно більша.
5. Якщо вихідна послідовність прагне нескінченно великому числу, то величина, їй зворотна, буде нескінченно малою і прагнути нуля.

Насправді обчислити межу послідовності – не таке складне завдання, якщо знати простий алгоритм. Але межі послідовностей — тема, яка потребує максимуму уваги та посидючості. Звичайно, досить просто вловити суть вирішення подібних виразів. Починаючи з малого, згодом можна досягти великих вершин.

Сьогодні на уроці ми розберемо суворе визначення послідовностіі суворе визначення межі функції, а також навчимося вирішувати відповідні завдання теоретичного характеру. Стаття призначена, перш за все, для студентів 1-го курсу природничо-технічних спеціальностей, які почали вивчати теорію математичного аналізу, і зіткнулися з труднощами в плані розуміння цього розділу вищої математики. Крім того, матеріал цілком доступний і учням старших класів.

За роки існування сайту я отримав недобрий десяток листів приблизно такого змісту: "Погано розумію математичний аналіз, що робити?", "Зовсім не розумію матан, думаю кинути навчання" і т.п. Саме матан часто проріджує студентську групу після першої ж сесії. Чому так справи? Тому що предмет неймовірно складний? Зовсім ні! Теорія математичного аналізу не така важка, як своєрідна. І її потрібно прийняти і полюбити такою, якою вона є =)

Почнемо з найважчого випадку. Перше та головне – не треба кидати навчання. Зрозумійте правильно, кинути, воно завжди встигнеться;-) Безумовно, якщо через рік-два від обраної спеціальності нудитиме, тоді так – слід задуматися (А не пороти гарячку!)про зміну діяльності. Але поки що варто продовжити. І, будь ласка, забудьте фразу «Нічого не розумію» – так не буває, щоб ЗОВСІМ нічого не розуміти.

Що робити, якщо з теорією погано? Це, до речі, стосується як математичного аналізу. Якщо з теорією погано, то спочатку потрібно СЕРЙОЗНО налягти на практику. При цьому вирішуються одразу два стратегічні завдання:

- По-перше, значна частка теоретичних знань з'явилася завдяки практиці. І тому багато людей розуміють теорію через… – вірно! Ні-ні, ви не про те подумали =)

– І, по-друге, практичні навички з великою ймовірністю «витягнуть» вас на іспиті, навіть якщо… але не будемо так налаштовуватися! Все реально і все реально підняти в досить короткі терміни. Математичний аналіз – це мій улюблений розділ вищої математики, і тому я просто не міг не простягнути вам ноги руку допомоги:

На початку 1-го семестру зазвичай проходять межі послідовностей та межі функцій. Чи не розумієте, що це таке і не знаєте, як їх вирішувати? Почніть зі статті Межі функцій, у якій «на пальцях» розглянуто саме поняття та розібрано найпростіші приклади. Далі опрацюйте інші уроки на тему, у тому числі урок про межах послідовностей, На якому я фактично вже сформулював суворе визначення.

Які значки крім знаків нерівностей та модуля ви знаєте?

- Довга вертикальна палиця читається так: "таке, що", "така, що", "такий, що" або "такі, що", у нашому випадку, очевидно, йдеться про номер – тому такий, що;

– для всіх «ен», більших за ;

– знак модуля означає відстань, тобто. цей запис повідомляє нам про те, що відстань між значеннями менша за епсілон.

Ну як, вбивчо складно? =)

Після освоєння практики чекаю на вас у наступному параграфі:

І справді, трохи поміркуємо – як сформулювати суворе визначення послідовності? …Перше, що спадає на думку у світлі практичного заняття: «межа послідовності – це число, якого нескінченно близько наближаються члени послідовності».

Добре, розпишемо послідовність :

Неважко вловити, що підпослідовність нескінченно близько наближаються до –1, а члени з парними номерами - До «одиниці».

А може бути межі дві? Але тоді чому якась послідовність їх не може мати десять чи двадцять? Так можна зайти далеко. У зв'язку з цим логічно вважати, що якщо у послідовності існує межа, то він єдиний.

Примітка : у послідовності немає межі, проте з неї можна виділити дві підпослідовності (див. вище), у кожної з яких існує своя межа.

Таким чином, висловлене вище визначення виявляється неспроможним. Так, воно працює для випадків на кшталт (Чим я не зовсім коректно користувався у спрощених поясненнях практичних прикладів), Але тепер нам необхідно знайти суворе визначення.

Спроба друга: «межа послідовності - це число, до якого наближаються ВСІ члени послідовності, за винятком, хіба що їх кінцевогокількості». Це вже ближче до істини, але все одно не зовсім точно. Так, наприклад, у послідовності половина членів зовсім не наближається до нуля - вони йому просто рівні =) До речі, «мигалка» взагалі приймає два фіксованих значення.

Формулювання неважко уточнити, але тоді виникає інше питання: як записати визначення у математичних знаках? Науковий світ довго бився над цією проблемою, доки ситуацію не вирішив відомий маестро, який, по суті, і оформив класичний матаналіз у всій його строгості. Коші запропонував оперувати околицями чим значно просунув теорію.

Розглянемо деяку точку та її довільну-околиця:

Значення «епсілон» завжди позитивне, і, більше того, ми маємо право вибрати його самостійно. Припустимо, що в околиці знаходиться безліч членів (Не обов'язково все)деякої послідовності. Як записати той факт, що, наприклад, десятий член потрапив в околицю? Нехай він знаходиться у правій її частині. Тоді відстань між точками і повинна бути меншою за «епсілон»: . Однак якщо «ікс десяте» розташоване ліворуч від точки «а», то різниця буде негативна, і тому до неї потрібно додати знак модуля: .

Визначення: число називається межею послідовності, якщо для будь-якоїйого околиці (заздалегідь обраною)існує натуральний номер – ТАКИЙ, що ВСІчлени послідовності з більшими номерами виявляться всередині околиці:

Або коротше: якщо

Іншими словами, яке б мале значення «епсілон» ми не взяли, рано чи пізно «нескінченний хвіст» послідовності ПОВНІСТТЮ опиниться в цій околиці.

Так, наприклад, "нескінченний хвіст" послідовності ПОВНІСТТЮ зайде в будь-яку скільки завгодно малу - околицю точки. Таким чином, це значення є межею послідовності визначення. Нагадую, що послідовність, межа якої дорівнює нулю, називають нескінченно малою.

Слід зазначити, що з послідовності не можна сказати «нескінченний хвіст зайде» – члени з непарними номерами за фактом дорівнюють нулю і «нікуди не заходять» =) Саме тому у визначенні використано дієслово «виявляться». І, зрозуміло, члени такої послідовності, як також «нікуди не йдуть». До речі, перевірте, чи буде її числом межею.

Тепер покажемо, що послідовність не має межі. Розглянемо, наприклад, околицю точки. Цілком зрозуміло, що немає такого номера, після якого всі члени опиняться в даній околиці – непарні члени завжди «вискакуватимуть» до «мінус одиниці». З аналогічної причини немає межі й у точці.

Закріпимо матеріал практикою:

Приклад 1

Довести, що межа послідовності дорівнює нулю. Вказати номер, після якого, всі члени послідовності гарантовано виявляться всередині будь-якої скільки завгодно малої околиці точки.

Примітка : у багатьох послідовностей шуканий натуральний номер залежить від значення - звідси і позначення.

Рішення: розглянемо довільну чи знайдетьсяномер – такий, що ВСІ члени з більшими номерами виявляться всередині цієї околиці:

Щоб показати існування шуканого номера, виразимо через.

Так як за будь-якого значення «ен» , то знак модуля можна прибрати:

Використовуємо «шкільні» дії з нерівностями, які я повторював під час уроків Лінійні нерівностіі Область визначення функції. При цьому важливою обставиною є те, що «епсілон» та «ен» позитивні:

Оскільки зліва йдеться про натуральні номери, а права частина в загальному випадку дробова, то її потрібно округлити:

Примітка : іноді для перестрахування праворуч додають одиницю, але насправді це надмірність. Умовно кажучи, якщо і ми послабимо результат округленням у менший бік, то найближчий відповідний номер («трійка») все одно задовольнятиме початкову нерівність.

А тепер дивимося на нерівність та згадуємо, що спочатку ми розглядали довільну-околиця, тобто. «епсілон» може бути рівним будь-комупозитивного числа.

Висновок: для будь-якої малої -околиці точки знайшлося значення . Таким чином, число є межею послідовності визначення. Що і потрібно було довести.

До речі, з отриманого результату добре проглядається природна закономірність: що менше -околиця – то більше вписувалося номер , після якого ВСІ члени послідовності опиняться у цій околиці. Але яким би малим не було «епсілон» – усередині завжди буде «нескінченний хвіст», а зовні – хай навіть велике, проте кінцевеЧисло членів.

Як враження? =) Згоден, що дивно. Але ж суворо!Будь ласка, перечитайте та осмисліть все ще раз.

Розглянемо аналогічний приклад та познайомимося з іншими технічними прийомами:

Приклад 2

Рішення: за визначенням послідовності потрібно довести, що (Промовляємо вголос!).

Розглянемо довільну-околиця точки і перевіримо, чи існуєнатуральний номер – такий, що для всіх великих номерів виконано нерівність:

Щоб показати існування такого, потрібно висловити "ен" через "епсілон". Спрощуємо вираз під знаком модуля:

Модуль знищує знак "мінус":

Знаменник позитивний за будь-якого «ен», отже, палиці можна прибрати:

Перетасування:

Тепер треба б витягти квадратний корінь, але проблема полягає в тому, що при деяких «епсілон» права частина буде негативною. Щоб уникнути цієї неприємності посилимонерівність модулем:

Чому можна так зробити? Якщо, умовно кажучи, виявиться, що , то буде виконано і умова . Модуль може тільки збільшитиномер, що розшукується, і це нас теж влаштує! Грубо кажучи, якщо підходить сотий, то підійде і двохсот! Відповідно до визначення, потрібно показати сам факт існування номера(хоча якогось), після якого всі члени послідовності виявляться в околиці. До речі, саме тому нам не страшне фінальне округлення правої частини у більший бік.

Вилучаємо корінь:

І округляємо результат:

Висновок: т.к. значення «епсілон» вибиралося довільно, то для будь-якої скільки завгодно малої околиці точки знайшлося значення , таке, що для всіх великих номерів виконано нерівність . Таким чином, за визначенням. Що і потрібно було довести.

Раджу особливоРозібратися у посиленні та ослабленні нерівностей – це типові та дуже поширені прийоми математичного аналізу. Єдине, слід стежити за коректністю тієї чи іншої дії. Так, наприклад, нерівність ні в якому разі не можна послаблювати, віднімаючи, скажімо, одиницю:

Знову ж умовно: якщо номер точно підійде, попередній може вже й не підійти.

Наступний приклад для самостійного вирішення:

Приклад 3

Використовуючи визначення послідовності, довести, що

Коротке рішення та відповідь наприкінці уроку.

Якщо послідовність нескінченно великато визначення межі формулюється схожим чином: точка називається межею послідовності, якщо для будь-якого, скільки завгодно великогочисла існує номер , такий, що для всіх більших номерів буде виконано нерівність . Число називають околицею точки «плюс нескінченність»:

Іншими словами, яке б велике значення ми не взяли, «нескінченний хвіст» послідовності обов'язково зайде в околицю точки, залишивши зліва лише кінцеве число членів.

Черговий приклад:

І скорочений запис: якщо

Для випадку запишіть визначення самостійно. Правильна версія наприкінці уроку.

Після того, як ви набили руку на практичних прикладах і розібралися з визначенням межі послідовності, можна звернутися до літератури з математичного аналізу та/або свого зошита з лекціями. Рекомендую закачати 1-й том Бохана (простіше – для заочників)та Фіхтенгольця (Детальніше і докладніше). З інших авторів раджу Піскунова, курс якого орієнтований на технічні вузи.

Спробуйте сумлінно вивчити теореми, що стосуються межі послідовності, їх доказів, наслідків. Спочатку теорія може здаватися "каламутною", але це нормально - просто потрібно звикнути. І багато хто навіть увійдуть у смак!

Суворе визначення межі функції

Почнемо з того самого – як сформулювати це поняття? Словесне визначення межі функції формулюється значно простіше: «число є межею функції , якщо при «ікс», що прагне (І зліва, і праворуч), відповідні значення функції прагнуть до » (Див. креслення). Все начебто нормально, але словами словами, сенс змістом, значок значком, а строгих математичних позначень замало. І в другому параграфі ми познайомимося із двома підходами до вирішення цього питання.

Нехай функція визначена на деякому проміжку, за винятком, можливо, точки . У навчальній літературі вважають, що функція там невизначено:

Такий вибір наголошує суть межі функції: «ікс» нескінченно близьконаближається до , і відповідні значення функції – нескінченно близькодо. Іншими словами, поняття межі має на увазі не «точний захід» у крапки, а саме нескінченно близьке наближення, при цьому не важливо – чи визначено функцію в точці чи ні.

Перше визначення межі функції, що не дивно, формулюється за допомогою двох послідовностей. По-перше, поняття споріднені, і, по-друге, межі функцій зазвичай вивчають після меж послідовностей.

Розглянемо послідовність точок (на кресленні відсутні), що належать проміжку та відмінних від, яка сходитьсядо. Тоді відповідні значення функції також утворюють числову послідовність, члени якої розташовуються на осі ординат.

Межа функції по Гейні для будь-якоїпослідовності точок (належних та відмінних від ), яка сходить до точки , відповідна послідовність значень функції сходить до .

Едуард Гейне – німецький математик. …І не треба тут нічого такого думати, гей у Європі лише один – це Гей-Люссак =)

Друге визначення межі спорудив… так-так, ви маєте рацію. Але спочатку розберемося у його конструкції. Розглянемо довільну околицю точки («чорна» околиця). За мотивами попереднього параграфа запис означає, що деяке значенняФункція знаходиться всередині «епсілон»-околиці.

Тепер знайдемо -околиця, яка відповідає заданій -околиці (подумки проводимо чорні пунктирні лінії зліва направо і потім зверху донизу). Зверніть увагу, що значення вибирається по довжині меншого відрізка, у разі – по довжині більш короткого лівого відрізка. Більш того, «малинову» -окраїну точки можна навіть зменшити, оскільки в наступному визначенні важливий сам факт існуванняцієї околиці. І, аналогічно, запис означає, що деяке значення знаходиться всередині «дельта»-околиці.

Межа функції по Коші: число називається межею функції у точці , якщо для будь-якої заздалегідь обраноюоколиці (як завгодно малої), існує-околиця точки, ТАКА, що: ЯК ТІЛЬКИ значення (належні)входять у цю околицю: (червоні стрілки)- ТАК ВІДРАЗУ відповідні значення функції гарантовано зайдуть в околицю: (сині стрілки).

Повинен попередити, що з метою більшої зрозумілості я трохи симпровізував, тому не зловживайте =)

Короткий запис: якщо

У чому суть визначення? Образно кажучи, нескінченно зменшуючи околиця, ми «супроводжуємо» значення функції до своєї межі, не залишаючи їм альтернативи наближатися кудись ще. Досить незвично, але знову ж таки суворо! Щоб як слід перейнятися ідеєю, перечитайте формулювання ще раз.

! Увага: якщо вам потрібно сформулювати тільки визначення по Гейнічи тільки визначення по Коші, будь ласка, не забувайте про суттєвомупопередньому коментарі: "Розглянемо функцію , яка визначена на деякому проміжку за винятком, можливо, точки". Я позначив це одного разу на самому початку і щоразу не повторював.

Відповідно до відповідної теореми математичного аналізу, визначення по Гейні та Коші еквівалентні, проте найбільш відомий другий варіант (ще б!), який також називають «кордон на мові»:

Приклад 4

Використовуючи визначення межі, довести, що

Рішення: функція визначена на всій числовій прямій крім точки. Використовуючи визначення , доведемо існування межі у цій точці.

Примітка : величина «дельта»-околиці залежить від «епсілон», звідси і позначення

Розглянемо довільну-околиця. Завдання полягає в тому, щоб за цим значенням перевірити, чи існує-околиця, ТАКА, що з нерівності слідує нерівність .

Припускаючи, що , перетворимо останню нерівність:
(розклали квадратний тричлен)

Тут ми розглянемо визначення кінцевої межі послідовності. Випадок послідовності, що сходить до нескінченності, розглянутий на сторінці «Визначення нескінченно великої послідовності» .

Визначення.
( x n )якщо для будь-якого позитивного числа ε > 0 існує таке натуральне число N ε , що залежить від ε , що для всіх натуральних n > N ε виконується нерівність
| x n - a |< ε .
Межа послідовності позначається так:
.
Або при .

Перетворимо нерівність:
;
;
.

Відкритий інтервал (a - ε, a + ε) називають ε - околицею точки a.

Послідовність, у якої існує межа називається послідовністю, що збігається. Також кажуть, що послідовність сходитьсядо a. Послідовність, яка не має межі, називається розходиться.

З визначення випливає, що, якщо послідовність має межу a , що яку б ε - околицею точки a ми не вибрали, за її межами може виявитися лише кінцеве число елементів послідовності, або взагалі жодного (порожнє безліч). А будь-яка - околиця містить нескінченну кількість елементів. Насправді, задавши певне число ε , ми, тим самим, маємо число . Отже, всі елементи послідовності з номерами , за визначенням, знаходяться в ε - околиці точки a . Перші елементи можуть знаходитися де завгодно. Тобто поза ε - околиці може бути трохи більше елементів - тобто кінцеве число.

Також зауважимо, що різниця зовсім не повинна монотонно прагнути до нуля, тобто постійно зменшуватися. Вона може прагнути нуля не монотонно: може то зростати, то зменшуватися, маючи локальні максимуми. Однак ці максимуми, зі зростанням n, повинні прагнути нуля (можливо теж не монотонно).

За допомогою логічних символів існування та загальності, визначення межі можна записати так:
(1) .

Визначення, що число a не є межею

Тепер розглянемо зворотне твердження, що число a не є межею послідовності.

Число a не є межею послідовностіякщо існує таке, що для будь-якого натурального n існує таке натуральне m > n, що
.

Запишемо це твердження з допомогою логічних знаків.
(2) .

Твердження, що число a не є межею послідовності, означає, що
можна вибрати таку ε - околицю точки a , за межами якої перебуватиме нескінченна кількість елементів послідовності.

Розглянемо приклад. Нехай задана послідовність із загальним елементом
(3)
Будь-яка околиця точки містить безліч елементів. Однак ця точка не є межею послідовності, оскільки будь-яка околиця точки також містить нескінченну кількість елементів. Візьмемо ε - околиця точки з ε = 1 . Це буде інтервал (-1, +1) . Усі елементи, крім першого, з парними n належать цьому інтервалу. Але всі елементи з непарними n знаходяться поза цим інтервалом, оскільки вони задовольняють нерівності x n > 2 . Оскільки число непарних елементів нескінченне, то поза обраної околиці буде перебувати нескінченне число елементів. Тому точка не є межею послідовності.

Тепер покажемо це, суворо дотримуючись утвердження (2). Точка не є межею послідовності (3), оскільки існує таке , так що для будь-якого натурального n існує непарне , для якого виконується нерівність
.

Також можна показати, що будь-яка точка a не може бути межею цієї послідовності. Ми можемо вибрати таку ε - околиця точки a , яка містить або точку 0, або точку 2. І тоді поза обраної околиці перебуватиме нескінченне число елементів послідовності.

Еквівалентне визначення

Можна дати еквівалентне визначення межі послідовності, якщо розширити поняття - околиці. Ми отримаємо рівносильне визначення, якщо в ньому замість ε - околиці буде фігурувати будь-яка околиця точки a .

Визначення околиці точки
Околицею точки aназивається будь-який відкритий інтервал, що містить цю точку. Математично околиця визначається так: , де ε 1 та ε 2 - Довільні позитивні числа.

Тоді визначення межі буде наступним.

Еквівалентне визначення межі послідовності
Число a називається межею послідовностіякщо для будь-якої її околиці існує таке натуральне число N , що всі елементи послідовності з номерами належать цьому околиці.

Це визначення можна уявити й у розгорнутому вигляді.

Число a називається межею послідовності, якщо для будь-яких позитивних чисел і існує таке натуральне число N , що залежить від і , що для всіх натуральних виконуються нерівності
.

Доказ рівносильності визначень

Доведемо, що представлені вище, два визначення межі послідовності рівносильні.

Нехай число a є межею послідовності згідно з першим визначенням. Це означає, що є функція , так що для будь-якого позитивного числа виконуються нерівності:
(4) при .

Покажемо, що число a є межею послідовності та за другим визначенням. Тобто нам потрібно показати, що існує така функція, так що для будь-яких позитивних чисел ε 1 та ε 2 виконуються нерівності:
(5) при .

Нехай ми маємо два позитивні числа: ε 1 та ε 2 . І нехай ε - найменша з них: . Тоді; ; . Використовуємо це в (5):
.
Але нерівності виконуються при . Тоді і нерівності (5) виконуються при .

Тобто ми знайшли таку функцію , при якій виконуються нерівності (5) для будь-яких позитивних чисел ε 1 та ε 2 .
Першу частину доведено.

Тепер нехай число a є межею послідовності згідно з другим визначенням. Це означає, що є функція , так що для будь-яких позитивних чисел ε 1 та ε 2 виконуються нерівності:
(5) при .

Покажемо, що число a є межею послідовності та за першим визначенням. Для цього потрібно покласти. Тоді при виконуються нерівності:
.
Це відповідає першому визначенню з.
Рівносильність визначень доведено.

Приклади

Тут ми розглянемо кілька прикладів, де потрібно довести, що задане число a є межею послідовності. При цьому потрібно задати довільні позитивне число і визначити функцію N від таку, що для всіх виконується нерівність .

Приклад 1

Довести, що .

(1) .
У нашому випадку ;
.

.
Скористаємося властивостями нерівностей. Тоді якщо і , то
.

.
Тоді
при .
Це означає, що число є межею заданої послідовності:
.

Приклад 2

За допомогою визначення межі послідовності довести, що
.

Випишемо визначення межі послідовності:
(1) .
У нашому випадку , ;
.

Вводимо позитивні числа та:
.
Скористаємося властивостями нерівностей. Тоді якщо і , то
.

Тобто, для будь-якого позитивного ми можемо взяти будь-яке натуральне число, більше або рівне :
.
Тоді
при .
.

Приклад 3

.

Вводимо позначення , .
Перетворюємо різницю:
.
Для натуральних n = 1, 2, 3, ... маємо:
.

Випишемо визначення межі послідовності:
(1) .
Вводимо позитивні числа та:
.
Тоді якщо і , то
.

Тобто, для будь-якого позитивного ми можемо взяти будь-яке натуральне число, більше або рівне :
.
При цьому
при .
Це означає, що число є межею послідовності:
.

Приклад 4

Використовуючи визначення межі послідовності довести, що
.

Випишемо визначення межі послідовності:
(1) .
У нашому випадку , ;
.

Вводимо позитивні числа та:
.
Тоді якщо і , то
.

Тобто, для будь-якого позитивного ми можемо взяти будь-яке натуральне число, більше або рівне :
.
Тоді
при .
Це означає, що число є межею послідовності:
.

Використана література:
Л.Д. Кудрявці. Курс математичного аналізу. Том 1. Москва, 2003.
С.М. Микільський. Курс математичного аналізу. Том 1. Москва, 1983.