For faster navigation, this Iframe is preloading the Wikiwand page for Границя функції в точці.

Границя функції в точці

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.

1 0.841471...
0.1 0.998334...
0.01 0.999983...

Хоча функція в нулі не визначена, проте коли наближається до нуля, її значення стає як завгодно близьким до 1. Іншими словами, границя цієї функції в нулі дорівнює 1.

Границя функції в точці, граничній для області визначення функції, називається таке число, до якого значення даної функції прямує при спрямуванні її аргументу до цієї точки. Одне з основоположних понять математичного аналізу.

Історія

[ред. | ред. код]

Незважаючи на те, що математичний аналіз розвивався у 17-му та 18-му століттях, сучасна ідея границі функції походить від Бернард Больцано, який у 1817 році ввів основи техніки епсилон-дельта для визначення неперервних функцій. Проте його роботи за життя не були відомими.[1]

У своїй книзі Cours d'analyse 1821 року Оґюстен-Луї Коші обмірковував змінні величини, нескінченно малі та границі, визначив неперервність , сказавши, що нескінченно мала зміна x обов’язково призводить до нескінченно малої зміни у, при цьому використовував строге визначення епсилон-дельта в доведеннях.[2] У 1861 році Вейєрштрас вперше ввів визначення границі в позначеннях епсилон-дельта у тому вигляді, який зазвичай записують сьогодні.[3] Він також ввів позначення та .[4]

Сучасне позначення з розміщенням стрілки знизу ввів Ґодфрі Гарольд Гарді у своїй книзі «Курс чистої математики» в 1908 році.[5]

Означення

[ред. | ред. код]

Існує кілька рівносильних визначень границі функції в точці — серед них є сформульовані Коші та Гейне.

Нехай , причому , і  — гранична точка множини . У подальшому будемо розглядати функції . Через позначимо -окіл точки :

.

Означення за Коші

[ред. | ред. код]

Число називається границею функції в точці , якщо для довільного дійсного числа існує дійсне таке, що для будь-якого дійсного з виконується нерівність .

Позначення:

або

при .

Під і можна розуміти як «похибку» та «відстань» відповідно. Фактично, Коші використовував як позначення для «похибки» у деяких своїх роботах[2], а у своєму визначенні неперервності він використовував нескінченно малу , а не чи . У цих позначеннях похибка обчислення значення границі зменшується при зменшенні відстані до граничної точки.

Означення за Гейне

[ред. | ред. код]

Число називається границею функції в точці , якщо для довільної послідовності , при , що збігається до числа , відповідна послідовність значень функції збіжна і має границею одне і теж саме число .

Односторонні границі

[ред. | ред. код]
Односторонні границі не рівні. Отже, границі при xx0 не існує.

Одностороння границя — це границя функції однієї змінної в деякій точці, коли аргумент прямує до значення аргументу у цій точці окремо зі сторони більших аргументів (правостороння границя), або зі сторони менших аргументів (лівостороння границя).

Означення правосторонньої границі

Нехай і  — гранична точка множини такі, що . Число називається правосторонньою границею функції в точці , якщо для довільного дійсного числа існує дійсне таке, що для будь-якого дійсного з виконується нерівність .

Правосторонню границю прийнято позначати наступним чином:

Означення лівосторонньої границі

Нехай і  — гранична точка множини такі, що . Число називається лівосторонньою границею функції в точці , якщо для довільного дійсного числа існує дійсне таке, що для будь-якого дійсного з виконується нерівність .

Для лівосторонньої границі прийняті такі позначення:

Використовуються також наступні скорочення:

  • і для правої границі;
  • і для лівої границі.

Якщо обидві односторонні границі існують в точці та рівні в ній, то можна показати, що . Якщо односторонні границі існують в точці , але не рівні, то границі в точці не існує. Якщо будь-яка одностороння границя не існує, то і границі також не існує.

Приклади

[ред. | ред. код]

Відсутність односторонніх границь

[ред. | ред. код]
Функція без границі в точці суттєвого розриву

Функція

не має границі в точці (лівостороння границя не існує через коливальний характер функції синуса, а правостороння границя не існує через асимптотичну поведінку оберненої функції), але має границю і кожній іншій точці.

Функція Діріхле

не має границі в жодній точці дійсної прямої.

Нерівність односторонніх границь

[ред. | ред. код]

Функція

має границю для кожної ненульової точки x (дорівнює 1 для від’ємного x і дорівнює 2 для додатного x). Однак, границі при x = 0 не існує (лівостороння границя дорівнює 1, а правостороння — 2).

Існування границі лише в одній точці

[ред. | ред. код]

Обидві функції

та

мають границю в точці x = 0 і вона дорівнює 0. В інших точка границі не існує.

Існування границі в зліченній кількості точок

[ред. | ред. код]

Функція

має границю в будь-якій точці , де .

Границі, пов’язані з нескінченністю

[ред. | ред. код]

Границя в нескінченності

[ред. | ред. код]
Границя цієї функції при існує.

Границя функції в нескінченності визначає поведінку значень функції, коли модуль її аргумента стає нескінченно великим. Існують різні означення таких границь, але вони рівгосильні між собою.

Границя в нескінченності за Коші

[ред. | ред. код]
  • Нехай ,  — необмежена зверху множина, . Число називається границею функції при , якщо для довільного дійсного числа існує дійсне таке, що для будь-якого дійсного з виконується нерівність .

Позначення: або при .

  • Нехай ,  — необмежена знизу множина, . Число називається границею функції при , якщо для довільного дійсного числа існує дійсне таке, що для будь-якого дійсного з виконується нерівність .

Позначення: або при .

Границя в нескінченності за Гейне

[ред. | ред. код]
  • Нехай ,  — необмежена зверху множина, . Число називається границею функції при , якщо для довільної послідовності , яка прямує до при , відповідна послідовність значень функції збіжна і має границею одне і теж саме число .
  • Нехай ,  — необмежена знизу множина, . Число називається границею функції при , якщо для довільної послідовності , яка прямує до при , відповідна послідовність значень функції збіжна і має границею одне і теж саме число .

Нескінченні границі

[ред. | ред. код]

Для функції, значення якої зростають або спадають безмежно, тобто функція розходиться, звичайна границя не існує. У цьому випадку можна ввести границі з нескінченними значеннями.

Нехай ,  — гранична точка множини і .

Кажуть, що прямує до плюс нескінченності в точці , якщо для довільного дійсного числа існує дійсне таке, що для будь-якого дійсного з виконується нерівність .

Позначення: або при .

Кажуть, що прямує до мінус нескінченності в точці , якщо для довільного дійсного числа існує дійсне таке, що для будь-якого дійсного з виконується нерівність .

Позначення: або при .

Можна поєднувати ідеї декількох означень границь в точці за Коші природним чином, щоб отримати визначення для різних комбінацій, наприклад

Так само можна поєднувати означення за Гейне.

Приклад:

Властивості

[ред. | ред. код]

Нехай ,  — гранична точка , задані функції та існують границі , . Тоді при таких умовах границя функції в точці має наступні властивості:

  • Якщо і , то .
  • Якщо і , то
.
  • Якщо , то .
  • Теорема про арифметичні дії
  1. ;
  2. ;
  3. ;
  4. Якщо додатково , то
  5. якщо права частина можлива.

Теорема про арифметичні дії також дійсна для односторонніх границь, у тому числі коли границя дорівнює або . У кожній рівності вище, коли одна з границь праворуч дорівнює або , границя ліворуч іноді все ще може визначатися наступними правилами:

  • q + ∞ = ∞ якщо q ≠ −∞
  • q × ∞ = ∞ якщо q > 0
  • q × ∞ = −∞ якщо q < 0
  • q / ∞ = 0 якщо q ≠ ∞ і q ≠ −∞
  • q = 0 якщо q < 0
  • q = ∞ якщо q > 0
  • q = 0 якщо 0 < q < 1
  • q = ∞ якщо q > 1
  • q−∞ = ∞ якщо 0 < q < 1
  • q−∞ = 0 якщо q > 1

Границя композиції функцій

[ред. | ред. код]

У загальному від того, що

та ,

не випливає, що , де і , b — гранична точка множини A, a — гранична точка множини B. Це «правило ланцюга» діє, якщо виконується одна з наступних додаткових умов:

  • , тобто f неперервна в b;
  • , тобто g не приймає значення b поблизу a.

Для прикладу розглянемо таку функцію, яка порушує обидві умови:

Оскільки точка 0 є розривом, який можна усунути, то

для всіх .

Таким чином, наївне «правило ланцюга» передбачає, що границя дорівнює 0. Однак

і тому

для всіх .

Правило Лопіталя

[ред. | ред. код]
Докладніше: Правило Лопіталя

Це правило використовує похідні, щоб розкрити невизначеності вигляду 0/0 або ±∞/∞, і застосовується лише до таких випадків. Нехай f(x) і g(x), визначені на відкритому інтервалі I, що містить граничну точку c, які задовольняють наступні умови:

  1. або ,
  2. і диференційовні на ,
  3. для всіх ,
  4. існує.

Тоді

.

Наприклад,

Основні приклади границь функцій в точці

[ред. | ред. код]
Докладніше: Список границь

Раціональні функції

[ред. | ред. код]

Для цілого невід’ємного числа та констант і

.

Це можна довести, поділивши як чисельник, так і знаменник на . Якщо чисельник є поліномом більшого степеня ніж знаменник, то у цьому випадку раціональна функція прямує до . Якщо знаменник більшого степеня ніж чисельник, то границя дорівнює 0.

Тригонометричні функції

[ред. | ред. код]
  •  — перша чудова границя

Експоненціальні функції

[ред. | ред. код]
  •  — друга чудова границя

Логарифмічні функції

[ред. | ред. код]

Узагальнення на метричні простори

[ред. | ред. код]

Нехай ,  — метричні простори, ,  — гранична точка множини . Елемент називається границею функції в точці , якщо

.

Також можна дати інше еквіваленте означення границі в точці для метричних просторів, аналогічне до означення за Гейне, розглянутого вище.

Елемент називається границею функції в точці , для довільної послідовності , при , що збігається до елемента , відповідна послідовність значень функції збіжна і має границею один і той самий елемент .

Найбільш важливими є наступні випадки:

  1. ,  — дійсна функція, визначена на множині дійсних чисел;
  2. ,  — дійсна функція n-змінних;
  3. ,  — векторна функція n-змінних;
  4.  — метричний простір, ,  — дійсна функція, яка задана на множині метричного простору.

Узагальнення на топологічні простори

[ред. | ред. код]

Нехай  — топологічний простір,  — гаусдорфів топологічний простір, ,  — гранична точка множини . Елемент називається границею функції в точці , якщо

.

Означення, аналогічне до Гейне вже буде частковим випадком, визначиного вище, а не рівносильним йому.

Вимога, щоб простір Y був гаусдорфовим, може бути послаблена до припущення, що Y є просто топологічним простором, але тоді границя функції може не бути єдиною. Тому вже не можна буде говорити про границю функції в точці, а скоріше про множину границь у точці.

Див. також

[ред. | ред. код]

Джерела

[ред. | ред. код]
  • Григорій Михайлович Фіхтенгольц. Курс диференціального та інтегрального числення. — 2024. — 2403 с.(укр.)
  • Дороговцев А. Я. Математичний аналіз. Частина 1. — К. : Либідь, 1993. — 320 с. — ISBN 5-325-00380-1.(укр.)
  • Дороговцев А. Я. Математичний аналіз. Частина 2. — К. : Либідь, 1994. — 304 с. — ISBN 5-325-00351-X.(укр.)
  • Завало С. Т. (1972). Елементи аналізу. Алгебра многочленів. Київ: Радянська школа. с. 462. (укр.)
  • М.О.Дзедзінський. Математичний Аналіз для студентів. — Листочок.
  • Поняття границі функції // Вища математика в прикладах і задачах / Клепко В.Ю., Голець В.Л.. — 2-ге видання. — К. : Центр учбової літератури, 2009. — С. 207. — 594 с.
  • Sutherland, W. A. (1975), Introduction to Metric and Topological Spaces, Oxford: Oxford University Press, ISBN 0-19-853161-3

Виноски

[ред. | ред. код]
  1. Felscher, Walter (2000), Bolzano, Cauchy, Epsilon, Delta, American Mathematical Monthly, 107 (9): 844—862, doi:10.2307/2695743, JSTOR 2695743
  2. а б Grabiner, Judith V. (1983), Who Gave You the Epsilon? Cauchy and the Origins of Rigorous Calculus, American Mathematical Monthly, 90 (3): 185—194, doi:10.2307/2975545, JSTOR 2975545, наявна в Who Gave You the Epsilon? [Архівовано 2012-10-04 у Wayback Machine.], ISBN 978-0-88385-569-0 сс. 5–13. Також доступна на сторінці http://www.maa.org/pubs/Calc_articles/ma002.pdf
  3. Sinkevich, G. I. (2017). Historia epsylontyki (PDF). Antiquitates Mathematicae. Cornell University. 10. arXiv:1502.06942. doi:10.14708/am.v10i0.805.
  4. Burton, David M. (1997), The History of Mathematics: An introduction (вид. Third), New York: McGraw–Hill, с. 558—559, ISBN 978-0-07-009465-9
  5. Miller, Jeff (1 грудня 2004), Earliest Uses of Symbols of Calculus, процитовано 18 грудня 2008
{{bottomLinkPreText}} {{bottomLinkText}}
Границя функції в точці
Listen to this article

This browser is not supported by Wikiwand :(
Wikiwand requires a browser with modern capabilities in order to provide you with the best reading experience.
Please download and use one of the following browsers:

This article was just edited, click to reload
This article has been deleted on Wikipedia (Why?)

Back to homepage

Please click Add in the dialog above
Please click Allow in the top-left corner,
then click Install Now in the dialog
Please click Open in the download dialog,
then click Install
Please click the "Downloads" icon in the Safari toolbar, open the first download in the list,
then click Install
{{::$root.activation.text}}

Install Wikiwand

Install on Chrome Install on Firefox
Don't forget to rate us

Tell your friends about Wikiwand!

Gmail Facebook Twitter Link

Enjoying Wikiwand?

Tell your friends and spread the love:
Share on Gmail Share on Facebook Share on Twitter Share on Buffer

Our magic isn't perfect

You can help our automatic cover photo selection by reporting an unsuitable photo.

This photo is visually disturbing This photo is not a good choice

Thank you for helping!


Your input will affect cover photo selection, along with input from other users.

X

Get ready for Wikiwand 2.0 🎉! the new version arrives on September 1st! Don't want to wait?