Теорема 2. Нескінченно малі величини, які входять до добутку та відношення, можна замінювати їм еквівалентними.
Доведення. Нехай . Шукаємо границю:
Нескінченно мала величина замінюється еквівалентною їй величиною
. При цьому значення границі не змінюється. ¨
Означення. Нехай і
— нескінченно малі величини. У разі, коли
говорять, що нескінченно мала величина b має порядок k відносно нескінченно малої величини a або скорочено: b — величина порядку k. Тоді
Величина — називається головною частиною нескінченно малої величини b.
Порівняємо нескінченно малі величини
і
при
·
Тоді
.
Отже, величина є нескінченно малою другого порядку мализни відносно х. Її головна частина дорівнює
.
4.3.7. Шкала еквівалентних
нескінченно малих величин
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Знайти границю:
Зауваження. У виразі, який містить суму та різницю, заміна нескінченно малих величин еквівалентними їм може іноді призвести до помилки.
Знайдемо границю
· Спосіб 1-й. Скориставшись формулою , запишемо:
.
· Спосіб 2-й. У чисельнику застосуємо формулу :
ВИСНОВОК. Спосіб 1-й помилковий. Якщо в сумі або різниці при заміні нескінченно малих їм еквівалентними взаємно знищуються малі вищого порядку, то така заміна неприпустима. ·
4.3.8. Властивості функцій
неперервних на відрізку
Теорема 1. (Больцано-Коші). Нехай функція неперервна на відрізку [а; b] і на кінцях його набуває значень різних знаків. Тоді на інтервалі (а; b) знайдеться точка с, в якій функція перетворюється на нуль.
Доведення. Припустивши, для визначеності, що
(рис. 4.16, а), розіб’ємо відрізок [а; b] пополам. У точці
значення функції f(x) може дорівнювати нулю. У такому разі теорему доведено. Якщо ця функція не перетворюється на нуль у зазначеній точці, то позначимо [а1; b1] ту з половин даного відрізка, де на кінцях функція f (x) набуває значень різних знаків. Аналогічно відрізок [а1; b1] також розіб’ємо пополам. Якщо в його середині функція перетворюється на нуль, то теорему доведено. Якщо в цій точці функція відмінна від нуля, то позначаємо [а2; b2] ту з половин відрізка [а1; b1], на кінцях якої набуває значень різних знаків. Міркуючи так, або дістанемо функцію, що стає нулем у середині одного з утворюваних відрізків, або утворимо нескінченну послідовність вкладених відрізків [а; b], [а1; b1], [а2; b2], … .
Довжина цих відрізків прямує до нуля. Отже, існує точка с, така що
. За припущенням маємо
тобто
і
. Це означає, що
. ¨
Зауваження 1. Точок, в яких функція перетворюється на нуль, може бути кілька (рис. 4.16, б).
Рис. 4.16, б
2. Алгоритм, запропонований Коші, придатний для чисельного відшукання коренів функції.
Теорема 2 (Коші). Нехай функція у = f(x) неперервна на відрізку [а; b] і на його кінцях набуває різних значень. Позначимо і
. Тоді при будь-якому С: А < C < B знайдеться точка с із [a, b], така що f(с) = С.
Доведення. Розглянемо допоміжну функцію
. Вона неперервна як різниця неперервних функцій. Маємо:
Тоді за теоремою Больцано—Коші знайдеться значення с, для якого і
¨
Теорема 3 (Вейєрштрасса). Якщо функція у = f(x) визначена і неперервна на деякому відрізку [а, b], то вона обмежена на цьому відрізку.
Доведення. Якщо функція у = f(x) неперервна на відрізку [а, b], то в кожній точці х0 цього відрізка при деякому заданому знайдеться інтервал
, де функція задовольняє не-
рівності
,
або
За теоремою Бореля із нескінченного покриття відрізка інтервалами завжди можна вибрати скінченне підпокриття, тобто існує скінченна множина точок з інтервалів
, що покривають відрізок
, таких що на кожному інтервалі виконується нерівність
Позначимо
За побудовою інтервалів виконується нерівність . Отже, функція обмежена. ¨
Розглянемо функцію
Вона неперервна на інтервалі (0; 1], але не обмежена (рис. 4.18).
Рис. 4.18
Теорема 4 (Вейєрштрасса). Функція у = f(x), неперервна на відрізку [а, b], досягає на ньому свого найбільшого та найменшого значення.
Доведення. Міркуємо від противного. Нехай функція у = f(x) має точну верхню межу , але не досягає її, тобто при всіх х виконується нерівність
.
Розглянемо функцію
.
Вона не перетворюється на нуль, тому вона неперервна і згідно з теоремою 3 обмежена. Існує число , таке що при всіх х, які належать відрізку
, маємо:
або
.
Маємо суперечність. Адже М не є точною верхньою межею функції f(x) при будь-якому х. Отже, припущення не правильне, тобто неперервна функція досягає своєї точної верхньої межі. Це означає, що існує точка , в якій
. Розглянемо функцію у = f(x). За доведеним вона досягає свого точного нижнього значення m при
. ¨
Розглянемо функцію у = х на інтервалі (0; 1). Ця функція обмежена. Її значення мають точну верхню та точну нижню межі. Побудуємо графік (рис. 4.19).
![]() | Можна знайти ![]() ![]() |
4.3.9. Рівномірна неперервність
Означення. Функція у = f(x) називається рівномірно неперервною на деякому проміжку І, якщо для довільного знайдеться
, таке що для будь-яких х1, х2 Î І, які задовольняють умову
, виконується нерівність
Розглянемо неперервну функцію
на проміжку (0; 1). Візьмемо довільне
і спробуємо знайти
, таке щоб за умови
виконувалась нерівність
. Дістанемо:
або
Вираз за умови
може бути як завгодно великим. Якщо значення
достатньо малі, то нерівність
не може виконуватися при всіх
із (0, 1). Отже, ця функція не є рівномірно неперервною.
Зауваження. Поняття рівномірної неперервності пов’язане з проміжком, на якому розглядається функція («рівномірно» — це приблизно однаково).
Теорема 5 (Кантора). Якщо функція у = f(x) неперервна на відрізку [а, b], то вона рівномірно неперервна на ньому.
Доведення. Візьмемо довільне . Припустимо, що функція не є рівномірно неперервною, тобто при будь-якому
знайдуться значення х1, х2 Î [a, b], такі що виконується нерівність
Візьмемо послідовність значень . При кожному значенні
знаходимо значення аргументу
такі що для
маємо:
Послідовність значень — обмежена, тому знайдеться частинна послідовність
що має границю с. Дістанемо:
Водночас має виконуватися нерівність Здобута суперечність означає, що припущення неправильне, а отже, функція f(x) рівномірно неперервна. ¨