Определение предела функции
Число называется пределом функции
при
, если для любого сколь угодно малого
найдется
, такое что для всех значений
, удовлетворяющих неравенству
, выполнено неравенство
.
При этом пишут или
. В символах математического анализа определение может быть записано так:
.
Выше приведено определение для случая конечных значений и
. Оно может быть переделано для случаев, когда
или
обращаются в бесконечность
. При этом соответствующие неравенства должны быть заменены на неравенства типа
, если
,
,если
,
, если
и т.п.
Переменная величина называется бесконечно малой величиной при
, если
.
Пусть , где
– конечные числа,
– любое конечное число или бесконечность.
Теоремы о пределах:
1. .
2. .
3. Если .
4. Пусть – конечное число. Тогда:
а)
б)
в) .
5. Пусть , тогда
. ●
Функция называется непрерывной в точке
, если она определена в этой точке и
. Для непрерывной функции возможен переход к пределу под знаком функции.
Предельные переходы, содержащие нуль или бесконечность, при кратко можно записать так:
, (1)
где выражение, заключенное в квадратные скобки, понимается как предельное значение. Выражения вида:
, (2)
─ называются неопределенностями, что означает, что нельзя дать ответ, используя правила (1), Например, рассмотрим три функции: при
. Отношение любых двух функций из указанных трех приводит к неопределенности
. Однако, пределы этих отношений различны, например:
,
,
.
Неопределенности (2) всегда можно перевести из одной в другую. Кроме указанных выражений неопределенностями являются предельные выражения:
.
При вычислении пределов сначала подставляется предельное значение переменной. Если выполнены условия теорем, то сразу получаем ответ. Если при подстановке получается неопределенность, то следует предварительно преобразовать выражение, а затем подставить предельное значение.
Рассмотрим несколько примеров на вычисление пределов.
1. .
2. .
3. .
4. .
5. .
6. .
7. .
8. .
9. .
10. .
11. .
12. .
13.
В примерах 1─3,6─8 можно сразу записать ответ. В остальных примерах первая подстановка приводит к неопределенности, поэтому: сначала проводим преобразование. Так в примере 13 мы умножили числитель и знаменатель на сопряженное выражение, что позволило затем сократить дробь. Обратите внимание, что выражение , и это позволило вынести множитель
за знак предела.
Проанализировав решения примеров 9–11, замечаем, что при вычислении пределов типа , приходим к пределу отношения членов со старшими степенями. Окончательный ответ зависит от соотношения степеней. Аналогичная ситуация и для выражений, содержащих дробные степени или радикалы.
Например, вычисляя , приходим к неопределенности
. Выбрав в числителе и знаменателе слагаемые со старшими степенями
. получаем решение:
.
Односторонние пределы
Если , оставаясь больше (или меньше)
, то такие пределы называются односторонними пределами или пределами справа (слева). Стремление переменной к предельному значению слева будем записывать
при стремлении справа
, а сами предельные значения функции
или
. При
или
также имеем односторонние пределы:
и
. Сравните два предела
,
.
Как указано в первом разделе: функция называется непрерывной в точке
, если она определена в этой точке и
. Если функция не является непрерывной в точке
, то говорят, что функция имеет разрыв в точке
. Разрывы функции имеют три типа и связаны с поведением функции слева и справа от точки разрыва.
1. Устранимый разрыв. Существуют левосторонний и правосторонний пределы, оба предела конечны, равны между собой, а функция не определена в точке :
.
2. Разрыв первого рода (скачок). Существуют левосторонний и правосторонний пределы, оба предела конечны, но они не равны между собой.
3. Разрыв второго рода. Один из пределов или оба обращаются в бесконечность или не существуют.
Все элементарные функции непрерывны в области своего определения.
Пример 1.Исследовать поведение функции на границе ее области определения.
Решение. .
Определим пределы функции в граничных точках и при
:
Пример 2. Исследовать поведение функции на границе ее области определения.
Решение. .
Определим пределы функции в граничных точках и при
. Заметим, что каждая из точек
граничной точкой является дважды. Поэтому в этих точках вычислим односторонние пределы: