Лекции по Математическому анализу
/>Произведение бесконечно больших на ф-ию, имеющую отличный от нуля предел - бесконечно большая.
Ф-ия, обратная величине бесконечно большой – есть бесконечно малая, и наоборот.
Доказательство 2):
Доказательство 3):
Односторонние пределы в конечной точке и их связь с пределом в этой точке.
В определении предела окрестности точки а – симметричный интервал с центром в этой точке, т.е. требуется существование значений ф-ий как справа от точки а , так и слева от нее.
Когда а – граничная точка D(f)- такая ситуация невозможна. В этом, случае вводится понятие одностороннего предела, в определении которого фигурирует левые и правые полуокрестности точки а
-
левосторонний
предел, если
в
левой
полуокружности
точки А,
значения ф-ии
лежат в -окрестности
точки А
Аналогично дается определение правостороннего предела.
Теорема: Для того, чтобы в точке а существовал предел ф-ии, необходимо и достаточно существования и равенства левостороннего и правостороннего пределов
Доказательство:
Необходимость:
Достаточность:
Числовые последовательности
Задача, по которой каждому N числу, ставится в соответствие единственное вещественное число – называется числовой последовательностью.
Числовая последовательность – ф-ия натурального аргумента.
Обозначается:
Последовательность, множество значений которой состоит из одного числа – стационарная.
Так как числовая последовательность – не симметричное множество, то для него не существует понятия четности, нечетности, периодичности. Зато сохраняются свойства, связанные с упорядоченностью.
Свойства:
Ограниченность.
последовательность
ограничена сверху, если
последовательность
ограничена снизу, если
последовательность
ограничена, если
Монотонность.
последовательность
возрастает, если
последовательность
убывает, если
последовательность
не убывает, если
последовательность
не возрастает, если
Предел последовательности
Т.к.
N числа
имеет 1 т. бесконечности,
то для числовой
последовательности
существует
Замечания:
А может быть конечным или бесконечным
Если последовательность имеет конечный предел, то она называется сходящейся, а если нет – расходящейся.
Общие свойства сходящихся последовательностей аналогичны свойствам ф-ий, имеющих конечный предел.
Арифметические свойства сходящихся последовательностей аналогичны свойствам ф-ий, имеют конечный предел
Переход к пределам в неравенствах, для сходящихся последовательностей аналогичен ф-ям, имеющим конечный предел.
Определение бесконечно малых и бесконечно больших последовательностей и их свойства аналогичны соответствующим определениям и свойствам ф-ии непрерывного аргумента.
Критерии существования предела последовательности
1. Критерии Коши (произведения последовательностей)
Для
существования
предела последовательностей
необходимо
и достаточно,
чтобы для
любой..............
Последовательность, для которой выполняется признак Коши – фундаменталная
2. Критерий Вейерштрасса (монотонность последовательности)
а) неубывающие последовательности, ограниченные сверху, имеют предел.
б) не возрастающие последовательности, ограниченные снизу, имеют предел.
Доказательство(а):
Переход к пределу в неравенстве
Теорема: Пусть f(х) и (х) имеют конечные пределы в т. y=a, тогда справедливо:
Доказательство:
Пусть
, тогда по общему свойству №6
,
а это противоречит 1
Замечание:
Из утверждения №3 следует, что предел неотрицательной ф-ии является неотрицательным.
При пределов к противоположным можно обе части умножать на (-1).
Теорема
2(о двух миллиционерах
) Пусть в некоторой
области Д выполняется
система неравенств
и а – предел
точки.
Пусть
существуют
равные пределы
,
тогда
существует
.
Доказательство:
Первый замечательный предел
Доказательство:
докажем для
справедливость
неравенства
В силу
четности входящих
в неравенство
ф-ий, докажем
это неравенство
на промежутке
Из рисунка видно, что площадь кругового сектора
,
так как х>0, то
,
2. следовательно,
что
Покажем, что
Докажем, что
Последнее утверждение:
Второй замечательный предел
Понятие касательной к прямой.
Прямая,
проходящая
через две точки
кривой – секущая.
Предельное положение секущей, которое она занимает при стремлении т. М к т. М0 называется касательной к кривой в т. М0
Бесконечные пределы ф-ии.
Если в общем определении предела через окрестности положить в качестве А бесконечно удаленную точку, то получим определение бесконечного предела.
Так как различают три вида бесконечно удаленных точек, то существуют три определения:
1.
2.
3.
Понятие непрерывности ф-ии.
Непрерывность – такое свойство ф-ии, как отсутствие точек разрыва у графиков этой ф-ии. Т.е. строится единственной непрерывной линией.
График непрерывной ф-ии ; График ф-ии, разрывной в т. С;
1.Ф-ия
называется
непрерывной
в точке х0
, если предел
в
данной точке
совпадает со
значением ф-ии
в этой же точке
2.
3. Разность
-приращение
аргумента в
точке х0
4. Разность
-
приращение
ф-ии в точке х0
вызывает приращение
аргумента
5. Ф-ия
называется
непрерывной
в точке х0
, если бесконечно
малому аргументу
соответствует
бесконечно
малое значение
ф-ии в точке х0
.
Общие свойства ф-ии, непрерывной в точке.
Представим ф-ию с помощью бесконечно малых
1.
2.Пусть
ф-ия
непрерывна
в точке х0
и ее значение
в этой точке
отлично от
нуля, то существует
целая окрестность
х0 , в которой
ф-ия не равна
нулю и сохраняет
знак f(x0)
sign(х)(сигнум)
Доказательство:
а)
б)
Из а) и б) следует:
Непрерывность и арифметические операции
Пусть
и
непрерывна
в т. х0
, тогда справедливо:
Сумма этих ф-ий непрерывна в т. х0 ;
-
непрерывна
в точке х0
2. Произведение этих ф-ий непрерывно в т. х0
-
непрерывна
в точке х0
3. Отношение этих функций непрерывно в тех точках, в которых знаменатель отличен от нуля, т.е. если знаменатель 0.
Доказательство:
Непрерывность сложной ф-ии.
Пусть:
|
тогда
сложная ф-ия
|
Доказательство:
А).
Б).
из А) и Б) следует:
Sl.
Непрерывность ф-ии на множестве.
Df. Ф-ия непрерывна на множестве Х , если она непрервна в каждой точке этого меожества.
Непрерывность обратной ф-ии:
Пусть
-
непрерывна
и строго монотонна
на промежуте
Х , тогда
справедливо:
*****
На промежутке Y существует непрерыная обратная ф-ия
.
Характер монотонности обратной ф-ии такой же как и прямой.
Непрерывность элементарной ф-ии:
**********
Доказательство непрерывности основной элементарной ф-ии tg и ctg , следует из свойств непрерыности элементарных ф-ий.
Непрерывность log, arcsin, arccos, arstg следует из определения непрерывности обратной ф-ии.
Df Элементарные ф-ии, полученные из основных элементарных ф-ий с помощью арифметических операций, взятых в конечном числе,********
Характеристика точек разрыва ф-ии.
1. Точка устранимого разрыва.
D(f)
т. х0
называется
точкой устранимого
разрыва ф-ии
,
если она не
определена
в этой точке,
но имеет конечный
предел.
Ф-ию можно сделать непрерывной в этой точке, доопределив ей значение в этой точке равным пределом.
2. Точка разрыва первого рода.
D(f) х0 – точка разрыва первого рода, если существует конечный левосторонний и правосторонний предел не равные между собой.
Разницу (b-a)называют скачком ф-ии в т. х0
3. Точка разрыва второго рода.
*********************************
Односторонняя непрерывность ф-ии.
Если в D(f)1 непрерывности предел заменить односторонним пределом, то получим определение односторонней непрерывности ф-ии.
Ф-ия называется непрерывной в точке х0 справа, если правосторонний предел совпадает со значением ф-ии.
Ф-ия называется непрерывной в точке х0 слева, есди левосторонний предел совпадает со значением ф-ии.
Например:
-
исследуем
предел ф-ии
справа и слева:
ф-ия
непрепывна
в точке х=0.
Для непрерывности в точке х0 необходимо и достаточно, чтобы она была непрерывна слева и справа в этой точке.
Свойства ф-й, непрерывных на отрезке
Ф-ия называется непрерывной на отрезке [a,b], если она непрерывна на интервале(a,b) и в т. а непрерывна справа а в т. b – слева.
Т1:
Ф-ия
,
непрерывная
на [a,b],
ограничена
на этом отрезке.
-
непрерывная
на [a,b]
D(f)
: число М
называется
наибольшим
значением ф-ии
на отрезке
[a,b],
если существует
такое число
.
D(f)
:точка называется
наименьшим
значекнием
ф-ии на [a,b],
если
Т2
: ф-ия
,
непрерывная
на [a,b],имеет
на [a,b]
наибольшее
и наименьшее
значения.
Т3 : *************
Sl1 : (f) ф-ии, непрерывной на отрезке, является отрезок
Sl2 (Т3): ф-ия, непрерывная на отрезке [a,b], имеющая различные по знаку значения, на его границах обязательно обращается в ноль, хотя-бы в одной точке этого отрезка.
*******************************************
Дифференциальное счисление.
Ф-ия одной переменной.
1. Задачи, приводящие к понятию производной.
3.1. Задача о вычислении скорости точки, движущейся вдоль прямой.
Пусть точка движется вдоль прямой х.
****************************************** - l-единичный вектор, задающий направление вдоль прямой.
3.2 Построение
касательной
к кривой с уравнением
в т. х0
.
********************
Задачи, различные по смыслу, из разных областей науки, свелись к вычислению одного и того же предела. В таких случаях в математике абстрагируются от крнкретных задач и изучают отдельно предел ф-й.
Определение призводной ф-ии в точке.
Обозначение:
Df1
Производной
ф-ии
в
т. х
называют предел
отношения
приращения
ф-ии в этой т.
к приращению
аргумента, при
стремлении
последнего
к нулю.
Пример:
-
непрерывная.
Степень ф-ии с вещественным показателем.
Справка:
.
Геометрический смысл производной.
Из второй
задачи следует,
что поизводная
ф-ии
в т. х0
=тангенсу угла
наклона касательной,
проведенной
к графику ф-ии
в этой точке.
Sl1
: Уравнение
касательной
к кривой. Его
можно написать,
зная точку,
через которую
она проходит,
и угловой коэффициент
где
x и
y
– координаты
т. на касательной.
Sl2
: Уравнение
нормали. Его
можно написать,
зная точку,
через которую
она проходит
и угловой коэффициент
,
x и
y
– точки на нормали.
Механический смысл производной.
************
Дифференцируемость ф-ии.
Df
: Ф-ия
дифференцируема
в точке х0
, если приращение
ф-ии в точке
сможет быть
представлено
в виде:
,
А – const.
Dh: Для дифференцирования ф-ии в т. х0 , необходимо и достаточно, чтобы в этой точке существовала производная.
Доказательство: (необходимость)
(достаточность):
Производная суммы, произведения, частного.
Dh:Пусть
ф-ия
и
дифференцируемы
в точке х0
, тогда в этой
точке дифференцируемы
их сумма, произведение
и частное, причем
выполняются
формулы:
, если
Лемма: Ф-ия, дифференцируема в точке х0 , непрерывнна в этой точке.
-
дифф. в т. х0
обратное утверждение неверно!!!
Производная от const ф-ии =0.
Если
Доказательство:
Zm1: При вычислении производной, константу можно выносить за знак производной.
Zm2: Данные формулы можно рассматривать на большее число слагаемых и сомножителей.
Df:
Линейным колебанем
системы из т.
ф-ий
называется
сумма призведения
этих ф-ий на
производную
и постоянную.
Zm: Свойство линейности производной.
Из доказанных свойств, следует, что производная от линейных колебаний ф-й = линейные комбинации призводных.
Производная от обратной ф-ии.
Dh:
Пусть
в точке х0
имеет:
на промежутке, содержащем х0 , обратную ф-ию
тогда в точке
х0
существует
,
равная
Производная от обратной ф-ии.
Dh: Пусть
в точке х0
имеет:
на промежутке, содержащем х0 , обратную ф-ию
тогда в точке
х0
существует
,
равная
Доказательство:
1. Пустьи
двум различным
значениям х
соответствует
е различных
значений y
.
2. Пусть
дифф. в точке
х0
, тогда
3. т.к.
Производная от сложной ф-ии.
Dh: Пусть:
- дифф. в точке y0 .
- дифф. в точке х0 .
тогда сложная
ф-ия
-
дифф. в точке
х0
и справедлива
формула:
Доказательство:
1.
-
дифф. в точке
y0
2.
-
дифф. в точке
х0
3.
-
дифф. в точке
х0
а значит непрерывна
в этой точке
.
Односторонние производные.
Заменим в определении производной предел – односторонним пределом, получится определение односторонней производной.
Производная от параметрически заданной ф-ии.
Df: Ф-ия
называется
заданной
параметрически,
если ее аналитическое
выражение может
быть представлено
в виде:
t- параметр.
Dh: Пусть
ф-ия задана
параметрически,
где
и
дифф. в точке
х0
, тогда
Доказательство:
Предположим.
что
имеет обратную
ф-ию
,
тогда
-
сложная ф-ия
от х
и определению
сложной ф-ии
имеет:
Производные высших порядков.
Df: Пусть
ф-ия
дифф. на Х
, то есть дифф.
в каждой т. Х
.
Каждому
значению Х
соответствует
единственное
значение
,
т.е. получаем
как ф-ию, заданную
на Х.
Если она
окажется дифф.
на Х,
то мы можем
вычислить
следующую
,
которая будет
называться
второй и т.д.
Df: Производной
n-го
порядка от ф-ии
называется
первая производная
от производной
n-1 порядка.
Пример:
Теоремы о дифф.