Определение предела функции по Коши
Пусть и - предельная точка множества . Вектор называется пределом функции при , если для любой окрестности вектора существует такая проколотая окрестность точки , что как только , тотчас .
Используя понятие окрестности, данное определение может быть сформулировано в следующем виде:
Вектор называется пределом функции при , если для такое, что для тотчас выполняется .
Пример 5.Доказать, что .
Согласно определению оценим разность . Получим, используя неравенство для : , что , откуда . Таким образом, для такое, что для .
Отметим, что и в рассмотренном примере, и во многих других мы не решаем неравенство , т.е. не находим множество тех и только тех значений , для которых оно имеет место. Наша цель – установить такую окрестность точки , в которой неравенство заведомо выполняется.
Пример 6. Доказать, что .
Оценим разность . Имеем: . Множитель не является ограниченным на множестве , поэтому здесь необходимо выделить некоторую окрестность точки 2, в которой и проводить дальнейшие оценки, например, 1-окрестность, т.е. интервал (1,3). Для имеем , следовательно, . Так как - окрестность не должна выходить за пределы 1-окрестности, то положим , тогда из неравенства будет следовать .
Пример 7. Доказать, что .
Требуется для указать такое число , что для любого будет выполнено , следовательно . В силу монотонности функции на интервале получим: .
Итак, для , что .
Пример 8. Доказать, что .
Требуется для указать такое, что при .
Из последнего неравенства находим:
, откуда получаем .
Запишем на языке « » утверждение «вектор не является пределом функции при »:
такое, что , но .
Пример 9. Покажем, что .
Рассмотрим разность
Используя неравенство , получим:
как только для любого .
Итак, , что при , но при этом .
Пример 10.Доказать, что не существует .
Пусть - произвольное вещественное число.
, если .
Тогда, для ,
(за счёт выбора соответствующего целого числа ), но тем не менее . Следовательно, для .
Пусть теперь .
, если , В этом случае, , , и , что . Итак, .
Доказаны важные теоремы:
1. Определения Гейне и Коши эквивалентны.
2. Если существует предел , то этот предел единственный.
Отметим важный факт: в определениях предела по Гейне и Коши не требуется, чтобы функция была бы определена в точке , поэтому ни значение , если , ни неопределённость не влияют на существование и величину .
Для числовой функции числового аргумента и векторной функции числового аргумента введём понятие одностороннего предела функции в данной точке .
Определение Гейне:
Пусть и - предельная точка множества . Вектор называется пределом функции при справа (слева), если для любой последовательности , , соответствующая последовательность значений функции всякий раз сходится к .
Определение Коши:
Пусть и - предельная точка множества . Вектор называется пределом функции при справа (слева), если для такое, что для справедливо неравенство .
Для обозначения левого и правого пределов используют следующую символику:
, , если , и , , если .
Теорема:
Функция имеет предел в точке тогда, и только тогда, когда существуют предел слева и предел справа и они равны: .
Пример 11. Доказать, что , если .
При неравенство справедливо для любого , если , поэтому для в качестве подойдёт любое положительное число. Если же , то логарифмируя неравенство, получим: , откуда . Таким образом, для такое, что для имеет место: , т.е. .
Рассмотрим неравенство: . Логарифмируя, имеем: , откуда . Следовательно, для , такое, что для любого : тотчас выполняется: , т.е. .
Приведённые выше примеры показывают, что, пользуясь только определением предела, мы можем лишь проверить, является ли данное число пределом данной функции или нет, но не имеем конструктивного метода вычисления предела.