Доказать непрерывность функции в точке. Понятие непрерывности функции. Свойства функций, непрерывных на отрезке
Процесс исследования функции на непрерывность неразрывно связан с навыком нахождения односторонних пределов функции. Поэтому, чтобы приступить к изучению материала данной статьи, желательно предварительно разобрать тему предела функции.
Определение 1Функция f (x) является непрерывной в точке x 0 , если предел слева равен пределу справа и совпадает со значением функции в точке x 0 , т.е.: lim x → x 0 - 0 f (x) = lim x → x 0 + 0 f (x) = f (x 0)
Данное определение позволяет вывести следствие: значение предела функции в точках непрерывности совпадает со значением функции в этих точках.
Пример 1
Дана функция f (x) = 1 6 (x - 8) 2 - 8 . Необходимо доказать ее непрерывность в точке х 0 = 2 .
Решение
В первую очередь, определим существование предела слева. Чтобы это сделать, используем последовательность аргументов х n , сводящуюся к х 0 = 2 · (х n < 2) . Например, такой последовательностью может быть:
2 , 0 , 1 , 1 1 2 , 1 3 4 , 1 7 8 , 1 15 16 , . . . , 1 1023 1024 , . . . → 2
Соответствующая последовательность значений функций выглядит так:
f (- 2) ; f (0) ; f (1) ; f 1 1 2 ; f 1 3 4 ; f 1 7 8 ; f 1 15 16 ; . . . ; f 1 1023 1024 ; . . . = = 8 . 667 ; 2 . 667 ; 0 . 167 ; - 0 . 958 ; - 1 . 489 ; - 1 . 747 ; - 1 . 874 ; . . . ; - 1 . 998 ; . . . → - 2
на чертеже они обозначены зеленым цветом.
Достаточно очевидно, что такая последовательность сводится к - 2 , значит lim x → 2 - 0 1 6 (x - 8) 2 - 8 = - 2 .
Определим существование предела справа: используем последовательность аргументов х n , сводящуюся к х 0 = 2 (х n > 2) . Например, такой последовательностью может быть:
6 , 4 , 3 , 2 1 2 , 2 1 4 , 2 1 8 , 2 1 16 , . . . , 2 1 1024 , . . . → 2
Соответствующая последовательность функций:
f (6) ; f (4) ; f (3) ; f 2 1 2 ; f 2 1 4 ; f 2 1 8 ; f 2 1 16 ; . . . ; f 2 1 1024 ; . . . = = - 7 . 333 ; - 5 . 333 ; - 3 . 833 ; - 2 . 958 ; - 2 . 489 ; - 2 . 247 ; - 2 . 247 ; - 2 . 124 ; . . . ; - 2 . 001 ; . . . → - 2
на рисунке обозначена синим цветом.
И эта последовательность сводится к - 2 , тогда lim x → 2 + 0 1 6 (x - 8) 2 - 8 = - 2 .
Действиями выше было показано, что пределы справа и слева являются равными, а значит существует предел функции f (x) = 1 6 x - 8 2 - 8 в точке х 0 = 2 , при этом lim x → 2 1 6 (x - 8) 2 - 8 = - 2 .
После вычисления значения функции в заданной точке очевидно выполнение равенства:
lim x → 2 - 0 f (x) = lim x → 2 + 0 f (x) = f (2) = 1 6 (2 - 8) 2 - 8 = - 2 что свидетельствует о непрерывности заданной функции в заданной точке.
Покажем графически:
Ответ: Непрерывность функции f (x) = 1 6 (x - 8) 2 - 8 в заданной части доказано.
Устранимый разрыв первого рода
Определение 2Функция имеет устранимый разрыв первого рода в точке х 0 , когда пределы справа и слева равны, но не равны значению функции в точке, т.е.:
lim x → x 0 - 0 f (x) = lim x → x 0 + 0 f (x) ≠ f (x 0)
Пример 2
Задана функция f (x) = x 2 - 25 x - 5 . Необходимо определить точки ее разрыва и определить их тип.
Решение
Сначала обозначим область определения функции: D (f (x)) ⇔ D x 2 - 25 x - 5 ⇔ x - 5 ≠ 0 ⇔ x ∈ (- ∞ ; 5) ∪ (5 ; + ∞)
В заданной функции точкой разрыва может служить только граничная точка области определения, т.е. х 0 = 5 . Исследуем функцию на непрерывность в этой точке.
Выражение x 2 - 25 x - 5 упростим: x 2 - 25 x - 5 = (x - 5) (x + 5) x - 5 = x + 5 .
Определим пределы справа и слева. Поскольку функция g (x) = x + 5 является непрерывной при любом действительном x , тогда:
lim x → 5 - 0 (x + 5) = 5 + 5 = 10 lim x → 5 + 0 (x + 5) = 5 + 5 = 10
Ответ: пределы справа и слева являются равными, а заданная функция в точке х 0 = 5 не определена, т.е. в этой точке функция имеет устранимый разрыв первого рода.
Неустранимый разрыв первого рода также определяется точкой скачка функции.
Определение 3 Пример 3
Задана кусочно-непрерывная функция f (x) = x + 4 , x < - 1 , x 2 + 2 , - 1 ≤ x < 1 2 x , x ≥ 1 . Необходимо изучить заданную функцию на предмет непрерывности, обозначить вид точек разрыва, составить чертеж.
Решение
Разрывы данной функции могут быть лишь в точке х 0 = - 1 или в точке х 0 = 1 .
Определим пределы справа и слева от этих точек и значение заданной функции в этих точках:
- слева от точки х 0 = - 1 заданная функция есть f (x) = x + 4 , тогда в силу непрерывности линейной функции: lim x → - 1 - 0 f (x) = lim x → - 1 - 0 (x + 4) = - 1 + 4 = 3 ;
- непосредственно в точке х 0 = - 1 функция принимает вид: f (x) = x 2 + 2 , тогда: f (- 1) = (- 1) 2 + 2 = 3 ;
- на промежутке (- 1 ; 1) заданная функция есть: f (x) = x 2 + 2 . Опираясь на свойство непрерывности квадратичной функции, имеем: lim x → - 1 + 0 f (x) = lim x → - 1 + 0 (x 2 + 2) = (- 1) 2 + 2 = 3 lim x → 1 - 0 f (x) = lim x → 1 - 0 (x 2 + 2) = (1) 2 + 2 = 3
- в точке х 0 = - 1 функция имеет вид: f (x) = 2 x и f (1) = 2 · 1 = 2 .
- справа от точки х 0 заданная функция есть f (x) = 2 x . В силу непрерывности линейной функции: lim x → 1 + 0 f (x) = lim x → 1 + 0 (2 x) = 2 · 1 = 2
Ответ: в конечном счете мы получили:
- lim x → - 1 - 0 f (x) = lim x → - 1 + 0 f (x) = f (- 1) = 3 - это означает, что в точке х 0 = - 1 заданная кусочная функция непрерывна;
- lim x → - 1 - 0 f (x) = 3 , lim x → 1 + 0 f (x) = 2 - таким образом, в точке х 0 = 1 определён неустранимый разрыв первого рода (скачок).
Нам остается только подготовить чертеж данного задания.
Определение 4Функция имеет разрыв второго рода в точке х 0 , когда какой-либо из пределов слева lim x → x 0 - 0 f (x) или справа lim x → x 0 + 0 f (x) не существует или бесконечен.
Пример 4
Задана функция f (x) = 1 x . Необходимо исследовать заданную функцию на непрерывность, определить вид точек разрыва, подготовить чертеж.
Решение
Запишем область определения функции: x ∈ (- ∞ ; 0) ∪ (0 ; + ∞) .
Найдем пределы справа и слева от точки х 0 = 0 .
Зададим произвольную последовательность значений аргумента, сходящуюся к х 0 слева. К примеру:
8 ; - 4 ; - 2 ; - 1 ; - 1 2 ; - 1 4 ; . . . ; - 1 1024 ; . . .
Ей соответствует последовательность значений функции:
f (- 8) ; f (- 4) ; f (- 2) ; f (- 1) ; f - 1 2 ; f - 1 4 ; . . . ; f - 1 1024 ; . . . = = - 1 8 ; - 1 4 ; - 1 2 ; - 1 ; - 2 ; - 4 ; . . . ; - 1024 ; . . .
Очевидно, что эта последовательность является бесконечно большой отрицательной, тогда lim x → 0 - 0 f (x) = lim x → 0 - 0 1 x = - ∞ .
Тепереь зададим произвольную последовательность значений аргумента, сходящуюся к х 0 справа. К примеру: 8 ; 4 ; 2 ; 1 ; 1 2 ; 1 4 ; . . . ; 1 1024 ; . . . , и ей соответствует последовательность значений функции:
f (8) ; f (4) ; f (2) ; f (1) ; f 1 2 ; f 1 4 ; . . . ; f 1 1024 ; . . . = = 1 8 ; 1 4 ; 1 2 ; 1 ; 2 ; 4 ; . . . ; 1024 ; . . .
Эта последовательность - бесконечно большая положительная, а значит lim x → 0 + 0 f (x) = lim x → 0 + 0 1 x = + ∞ .
Ответ : точка х 0 = 0 - точка разрыва функции второго рода.
Проиллюстрируем:
Если вы заметили ошибку в тексте, пожалуйста, выделите её и нажмите Ctrl+Enter
Исследование функции на непрерывность в точке проводится по уже накатанной рутинной схеме, которая состоит в проверке трёх условий непрерывности:
Пример 1
Исследовать функцию на непрерывность. Определить характер разрывов функции, если они существуют. Выполнить чертёж.
Решение :
1) Под прицел попадает единственная точка , в которой функция не определена.
Односторонние пределы конечны и равны.
Таким образом, в точке функция терпит устранимый разрыв.
Как выглядит график данной функции?
Хочется провести упрощение , и вроде бы получается обычная парабола. НО
исходная функция не определена в точке , поэтому обязательна следующая оговорка:
Выполним чертёж:
Ответ : функция непрерывна на всей числовой прямой кроме точки , в которой она терпит устранимый разрыв.
Функцию можно доопределить хорошим или не очень способом, но по условию этого не требуется.
Вы скажете, пример надуманный? Ничуть. Десятки раз встречалось на практике. Почти все задачи сайта родом из реальных самостоятельных и контрольных работ.
Разделаемся с любимыми модулями:
Пример 2
Исследовать функцию на непрерывность. Определить характер разрывов функции, если они существуют. Выполнить чертёж.
Решение
: почему-то студенты боятся и не любят функции с модулем, хотя ничего сложного в них нет. Таких вещей мы уже немного коснулись на уроке Геометрические преобразования графиков
. Поскольку модуль неотрицателен, то он раскрывается следующим образом: , где «альфа» - некоторое выражение. В данном случае , и наша функция должна расписаться кусочным образом:
Но дроби обоих кусков предстоит сократить на . Сокращение, как и в предыдущем примере, не пройдёт без последствий. Исходная функция не определена в точке , так как знаменатель обращается в ноль. Поэтому в системе следует дополнительно указать условие , и первое неравенство сделать строгим:
Теперь об ОЧЕНЬ ПОЛЕЗНОМ приёме решения : перед чистовым оформлением задачи на черновике выгодно сделать чертёж (независимо от того, требуется он по условию или нет). Это поможет, во-первых, сразу увидеть точки непрерывности и точки разрыва, а, во-вторых, 100%-но убережёт от ошибок при нахождении односторонних пределов.
Выполним чертёж. В соответствии с нашими выкладками, слева от точки необходимо начертить фрагмент параболы (синий цвет), а справа - кусок параболы (красный цвет), при этом функция не определена в самой точке :
Если есть сомнения, возьмите несколько значений «икс», подставьте их в функцию (не забывая, что модуль уничтожает возможный знак «минус») и сверьтесь с графиком.
Исследуем функцию на непрерывность аналитически:
1) Функция не определена в точке , поэтому сразу можно сказать, что не является в ней непрерывной.
2) Установим характер разрыва, для этого вычислим односторонние пределы:
Односторонние пределы конечны и различны, значит, функция терпит разрыв 1-го рода со скачком в точке . Заметьте, что не имеет значения, определена функция в точке разрыва или нет.
Теперь остаётся перенести чертёж с черновика (он сделан как бы с помощью исследования;-)) и завершить задание:
Ответ : функция непрерывна на всей числовой прямой кроме точки , в которой она терпит разрыв первого рода со скачком.
Иногда требуют дополнительно указать скачок разрыва. Вычисляется он элементарно - из правого предела нужно вычесть левый предел: , то есть в точке разрыва наша функция прыгнула на 2 единицы вниз (о чём нам сообщает знак «минус»).
Пример 3
Исследовать функцию на непрерывность. Определить характер разрывов функции, если они существуют. Сделать чертёж.
Это пример для самостоятельного решения, примерный образец решения в конце урока.
Перейдём к наиболее популярной и распространённой версии задания, когда функция состоит из трёх кусков:
Пример 4
Исследовать функцию на непрерывность и построить график функции
.
Решение
: очевидно, что все три части функции непрерывны на соответствующих интервалах, поэтому осталось проверить только две точки «стыка» между кусками. Сначала выполним чертёж на черновике, технику построения я достаточно подробно закомментировал в первой части статьи. Единственное, необходимо аккуратно проследить за нашими особенными точками: в силу неравенства значение принадлежит прямой (зелёная точка), и в силу неравенство значение принадлежит параболе (красная точка):
Ну вот, в принципе, всё понятно =) Осталось оформить решение. Для каждой из двух «стыковых» точек стандартно проверяем 3 условия непрерывности:
I)
1)
Односторонние пределы конечны и различны, значит, функция терпит разрыв 1-го рода со скачком в точке .
Вычислим скачок разрыва как разность правого и левого пределов:
, то есть, график рванул на одну единицу вверх.
II) Исследуем на непрерывность точку
1) - функция определена в данной точке.
2) Найдём односторонние пределы:
- односторонние пределы конечны и равны, значит, существует общий предел.
3)
На завершающем этапе переносим чертёж на чистовик, после чего ставим финальный аккорд:
Ответ : функция непрерывна на всей числовой прямой, кроме точки , в которой она терпит разрыв первого рода со скачком.
Пример 5
Исследовать функцию на непрерывность и построить её график .
Это пример для самостоятельного решения, краткое решение и примерный образец оформления задачи в конце урока.
Может сложиться впечатление, что в одной точке функция обязательно должна быть непрерывной, а в другой - обязательно должен быть разрыв. На практике это далеко не всегда так. Постарайтесь не пренебрегать оставшимися примерами - будет несколько интересных и важных фишек:
Пример 6
Дана функция . Исследовать функцию на непрерывность в точках . Построить график.
Решение
: и снова сразу выполним чертёж на черновике:
Особенность данного графика состоит в том, что при кусочная функция задаётся уравнением оси абсцисс . Здесь данный участок прорисован зелёным цветом, а в тетради его обычно жирно выделяют простым карандашом. И, конечно же, не забываем про наших баранов: значение относится к ветке тангенса (красная точка), а значение принадлежит прямой .
Из чертежа всё понятно - функция непрерывна на всей числовой прямой, осталось оформить решение, которое доводится до полного автоматизма буквально после 3-4-х подобных примеров:
I) Исследуем на непрерывность точку
2) Вычислим односторонние пределы:
, значит, общий предел существует.
Случился тут небольшой курьёз. Дело в том, что я создал немало материалов о пределах функции , и несколько раз хотел, да несколько раз забывал об одном простом вопросе. И вот, невероятным усилием воли таки заставил себя не потерять мысль =) Скорее всего, некоторые читатели-«чайники» сомневаются: чему равен предел константы? Предел константы равен самой константе. В данном случае предел нуля равен самому нулю (левосторонний предел).
3) - предел функции в точке равен значению данной функции в данной точке.
Таким образом, функция непрерывна в точке по определению непрерывности функции в точке.
II) Исследуем на непрерывность точку
1) - функция определена в данной точке.
2) Найдём односторонние пределы:
И здесь, в правостороннем пределе - предел единицы равен самой единице.
- общий предел существует.
3) - предел функции в точке равен значению данной функции в данной точке.
Таким образом, функция непрерывна в точке по определению непрерывности функции в точке.
Как обычно, после исследования переносим наш чертёж на чистовик.
Ответ : функция непрерывна в точках .
Обратите внимание, что в условии нас ничего не спрашивали про исследование всей функции на непрерывность, и хорошим математическим тоном считается формулировать точный и чёткий ответ на поставленный вопрос. Кстати, если по условию не требуется строить график, то вы имеете полное право его и не строить (правда, потом преподаватель может заставить это сделать).
Небольшая математическая «скороговорка» для самостоятельного решения:
Пример 7
Дана функция .
Исследовать функцию на непрерывность в точках . Классифицировать точки разрыва, если они есть. Выполнить чертёж.
Постарайтесь правильно «выговорить» все «слова» =) И график нарисовать поточнее, точность, она везде лишней не будет;-)
Как вы помните, я рекомендовал незамедлительно выполнять чертёж на черновике, но время от времени попадаются такие примеры, где не сразу сообразишь, как выглядит график. Поэтому в ряде случаев выгодно сначала найти односторонние пределы и только потом на основе исследования изобразить ветви. В двух заключительных примерах мы, кроме того, освоим технику вычисления некоторых односторонних пределов:
Пример 8
Исследовать на непрерывность функцию и построить её схематический график.
Решение : нехорошие точки очевидны: (обращает в ноль знаменатель показателя) и (обращает в ноль знаменатель всей дроби). Малопонятно, как выглядит график данной функции, а значит, сначала лучше провести исследование:
I) Исследуем на непрерывность точку
2) Найдём односторонние пределы:
Обратите внимание на типовой приём вычисления одностороннего предела : в функцию вместо «икса» мы подставляем . В знаменателе никакого криминала: «добавка» «минус ноль» не играет роли, и получается «четыре». А вот в числителе происходит небольшой триллер: сначала в знаменателе показателя убиваем -1 и 1, в результате чего получается . Единица, делённая на , равна «минус бесконечности», следовательно: . И, наконец, «двойка» в бесконечно большой отрицательной степени равна нулю: . Или, если ещё подробнее: .
Вычислим правосторонний предел:
И здесь - вместо «икса» подставляем . В знаменателе «добавка» снова не играет роли: . В числителе проводятся аналогичные предыдущему пределу действия: уничтожаем противоположные числа и делим единицу на:
Правосторонний предел бесконечен, значит, функция терпит разрыв 2-го рода в точке .
II) Исследуем на непрерывность точку
1) Функция не определена в данной точке.
2) Вычислим левосторонний предел:
Метод такой же: подставляем в функцию вместо «икса» . В числителе ничего интересного - получается конечное положительно число . А в знаменателе раскрываем скобки, убираем «тройки», и решающую роль играет «добавка» .
По итогу, конечное положительное число, делённое на бесконечно малое положительное число , даёт «плюс бесконечность»: .
Правосторонний предел, как брат близнец, за тем лишь исключением, что в знаменателе выплывает бесконечно малое отрицательное число
:
Односторонние пределы бесконечны, значит, функция терпит разрыв 2-го рода в точке .
Таким образом, у нас две точки разрыва, и, очевидно, три ветки графика. Для каждой ветки целесообразно провести поточечное построение, т.е. взять несколько значений «икс» и подставить их в . Заметьте, что по условию допускается построениесхематического чертежа, и такое послабление естественно для ручной работы. Я строю графики с помощью проги, поэтому не имею подобных затруднений, вот достаточно точная картинка:
Прямые являются вертикальными асимптотами для графика данной функции.
Ответ : функция непрерывна на всей числовой прямой кроме точек , в которых она терпит разрывы 2-го рода.
Более простая функция для самостоятельного решения:
Пример 9
Исследовать на непрерывность функцию и выполнить схематический чертёж.
Примерный образец решения в конце, который подкрался незаметно.
До скорых встреч!
Решения и ответы:
Пример 3:
Решение
: преобразуем функцию:
. Учитывая правило раскрытия модуля
и тот факт, что
, перепишем функцию в кусочном виде:
Исследуем функцию на непрерывность.
1) Функция не определена в точке .
Односторонние пределы конечны и различны, значит, функция терпит разрыв 1-го рода со скачком в точке
. Выполним чертёж:
Ответ
: функция непрерывна на всей числовой прямой кроме точки
, в которой она терпит разрыв первого рода со скачком. Скачок разрыва:
(две единицы вверх).
Пример 5:
Решение
: каждая из трёх частей функции непрерывна на своём интервале.
I)
1)
2) Вычислим односторонние пределы:
, значит, общий предел существует.
3)
- предел функции в точке равен значению данной функции в данной точке.
Таким образом, функция
непрерывна в точке
по определению непрерывности функции в точке.
II)
Исследуем на непрерывность точку
1) - функция определена в данной точке. функция терпит разрыв 2-го рода, в точке
Как найти область определения функции?
Примеры решений
Если где-то нет чего-то, значит, где-то что-то есть
Продолжаем изучение раздела «Функции и графики», и следующая станция нашего путешествия - Область определения функции . Активное обсуждение данного понятия началось на первом же уроке о графиках функций , где я рассмотрел элементарные функции, и, в частности, их области определения. Поэтому чайникам рекомендую начать с азов темы, поскольку я не буду вновь останавливаться на некоторых базовых моментах.
Предполагается, читатель знает области определения основных функций: линейной, квадратичной, кубической функции, многочленов, экспоненты, логарифма, синуса, косинуса. Они определены на . За тангенсы, арксинусы, так и быть, прощаю =) Более редкие графики запоминаются далеко не сразу.
Область определения - вроде бы вещь простая, и возникает закономерный вопрос, о чём же будет статья? На данном уроке я рассмотрю распространённые задачи на нахождение области определения функции. Кроме того, мы повторим неравенства с одной переменной , навыки решения которых потребуются и в других задачах высшей математики. Материал, к слову, весь школьный, поэтому будет полезен не только студентам, но и учащимся. Информация, конечно, не претендует на энциклопедичность, но зато здесь не надуманные «мёртвые» примеры, а жареные каштаны, которые взяты из настоящих практических работ.
Начнём с экспресс-вруба в тему. Коротко о главном: речь идёт о функции одной переменной . Её область определения - это множество значений «икс»
, для которых существуют
значения «игреков». Рассмотрим условный пример:
Область определения данной функции представляет собой объединение промежутков:
(для тех, кто позабыл: - значок объединения). Иными словами, если взять любое значение «икс» из интервала , или из , или из , то для каждого такого «икс» будет существовать значение «игрек».
Грубо говоря, где область определения - там есть график функции. А вот полуинтервал и точка «цэ» не входят в область определения, поэтому графика там нет.
Да, кстати, если что-нибудь не понятно из терминологии и/или содержания первых абзацев, таки лучше вернуться к статье Графики и свойства элементарных функций .
Определение. Функция f(x), определенная в окрестности некоторой точки х 0 , называется непрерывной в точке х 0 , если предел функции и ее значение в этой точке равны, т.е.
Тот
же факт можно записать иначе:
Определение. Если функция f(x) определена в некоторой окрестности точки х 0 , но не является непрерывной в самой точке х 0 , то она называется разрывной функцией, а точка х 0 – точкой разрыва.
Пример непрерывной функции:
y
0 x 0 - x 0 x 0 + x
Пример разрывной функции:
Определение. Функция f(x) называется непрерывной в точке х 0 , если для любого положительного числа >0 существует такое число >0, что для любых х, удовлетворяющих условию
верно
неравенство
.
Определение. Функция f(x) называется непрерывной в точке х = х 0 , если приращение функции в точке х 0 является бесконечно малой величиной.
f(x) = f(x 0) + (x)
где (х) – бесконечно малая при хх 0 .
Свойства непрерывных функций.
1) Сумма, разность и произведение непрерывных в точке х 0 функций – есть функция, непрерывная в точке х 0 .
2) Частное двух непрерывных функций – есть непрерывная функция при условии, что g(x) не равна нулю в точке х 0 .
3) Суперпозиция непрерывных функций – есть непрерывная функция.
Это свойство может быть записано следующим образом:
Если u = f(x), v = g(x) – непрерывные функции в точке х = х 0 , то функция v = g(f(x)) – тоже непрерывнаяфункция в этой точке.
Справедливость приведенных выше свойств можно легко доказать, используя теоремы о пределах.
Непрерывность некоторых элементарных функций.
1) Функция f(x) = C, C = const – непрерывная функция на всей области определения.
2)
Рациональная функция
непрерывна для всех значений х, кроме
тех, при которых знаменатель обращается
в ноль. Таким образом, функция этого
вида непрерывна на всей области
определения.
3) Тригонометрические функции sinиcosнепрерывны на своей области определения.
Докажем свойство 3 для функции y = sinx.
Запишем приращение функции y = sin(x + x) – sinx, или после преобразования:
Действительно,
имеется предел произведения двух функций
и
.
При этом функция косинус – ограниченная
функция прих0
,
а т.к.
предел
функции синус
,
то она является бесконечно малой прих0.
Таким образом, имеется произведение ограниченной функции на бесконечно малую, следовательно это произведение, т.е. функция у – бесконечно малая. В соответствии с рассмотренными выше определениями, функция у = sinx – непрерывная функция для любого значения х = х 0 из области определения, т.к. ее приращение в этой точке – бесконечно малая величина.
Точки разрыва и их классификация.
Рассмотрим некоторую функцию f(x), непрерывную в окрестности точки х 0 , за исключением может быть самой этой точки. Из определения точки разрыва функции следует, что х = х 0 является точкой разрыва, если функция не определена в этой точке, или не является в ней непрерывной.
Следует отметить также, что непрерывность функции может быть односторонней. Поясним это следующим образом.
,
то функция называется непрерывной
справа.
Если
односторонний предел (см. выше)
,
то функция называется непрерывной
слева.
Определение. Точка х 0 называется точкой разрыва функции f(x), если f(x) не определена в точке х 0 или не является непрерывной в этой точке.
Определение. Точка х 0 называется точкой разрыва 1- го рода , если в этой точке функция f(x) имеет конечные, но не равные друг другу левый и правый пределы.
Для выполнения условий этого определения не требуется, чтобы функция была определена в точке х = х 0 , достаточно того, что она определена слева и справа от нее.
Из определения можно сделать вывод, что в точке разрыва 1 – го рода функция может иметь только конечный скачок. В некоторых частных случаях точку разрыва 1 – го рода еще иногда называют устранимой точкой разрыва, но подробнее об этом поговорим ниже.
Определение. Точка х 0 называется точкой разрыва 2 – го рода , если в этой точке функция f(x) не имеет хотя бы одного из односторонних пределов или хотя бы один из них бесконечен.
Непрерывность функции на интервале и на отрезке.
Определение. Функция f(x) называется непрерывной на интервале (отрезке) , если она непрерывна в любой точке интервала (отрезка).
При этом не требуется непрерывность функции на концах отрезка или интервала, необходима только односторонняя непрерывность на концах отрезка или интервала.
Свойства функций, непрерывных на отрезке.
Свойство 1: (Первая теорема Вейерштрасса (Вейерштрасс Карл (1815-1897)- немецкий математик)). Функция, непрерывная на отрезке, ограничена на этом отрезке, т.е. на отрезке выполняется условие –M f(x) M.
Доказательство этого свойства основано на том, что функция, непрерывная в точке х 0 , ограничена в некоторой ее окрестности, а если разбивать отрезок на бесконечное количество отрезков, которые “стягиваются” к точке х 0 , то образуется некоторая окрестность точки х 0 .
Свойство 2: Функция, непрерывная на отрезке , принимает на нем наибольшее и наименьшее значения.
Т.е. существуют такие значения х 1 и х 2 , что f(x 1) = m, f(x 2) = M, причем
m f(x) M
Отметим эти наибольшие и наименьшие значения функция может принимать на отрезке и несколько раз (например – f(x) = sinx).
Разность между наибольшим и наименьшим значением функции на отрезке называется колебанием функции на отрезке.
Свойство 3: (Вторая теорема Больцано – Коши). Функция, непрерывная на отрезке , принимает на этом отрезке все значения между двумя произвольными величинами.
Свойство 4: Если функция f(x) непрерывна в точке х = х 0 , то существует некоторая окрестность точки х 0 , в которой функция сохраняет знак.
Свойство 5: (Первая теорема Больцано (1781-1848) – Коши). Если функция f(x)- непрерывная на отрезке и имеет на концах отрезка значения противоположных знаков, то существует такая точка внутри этого отрезка, где f(x) = 0.
Т.е. если sign(f(a)) sign(f(b)), то х 0: f(x 0) = 0.
Пример.
в точке х = -1 функция непрерывна в точке х = 1 точка разрыва 1 – го рода
у
Пример. Исследовать на непрерывность функцию и определить тип точек разрыва, если они есть.
в точке х = 0 функция непрерывна в точке х = 1 точка разрыва 1 – го рода
Учреждение образования «Белорусская государственная
сельскохозяйственная академия»
Кафедра высшей математики
Методические указания
по изучению темы «Непрерывность функций одной переменной»
студентами бухгалтерского факультета заочной формы получения
образования (НИСПО)
Горки, 2013
Непрерывность функций одной переменной
Односторонние пределы
Пусть
функция
определена на множестве
.
Введём понятие односторонних пределов
функции при
.
Будем рассматривать такие значения х
,
что
. Это означает, что
,
оставаясь всё время слева от
при
то он называется левым
пределом
этой функции в точке
(или при
)
и обозначается
.
Пусть
теперь
,
оставаясь всё время справа от
,
т.е. оставаясь больше
.
Если при этом существует предел функции
,
то он называется правым
пределом
этой функции в точке
и обозначается
.
Левый и правый пределы называются односторонними пределами функции в точке.
Если существуют односторонние пределы функции в точке и они равны между собой, то функция имеет тот же предел в этой точке :
.
Если односторонние пределы функции в точке существуют, но не равны между собой, то предел функции в этой точке не существует .
Непрерывность функции в точке
Пусть
функция
определена
на некотором множестве D
.
Пусть независимая переменная х
переходит от одного своего (начального)
значения
к другому (конечному) значению
.
Разность
конечного и начального значений
называется приращением
величины х
и обозначается
.
Приращение может быть как положительным,
так и отрицательным. В первом случае
величина х
при переходе от
к х
увеличивается, а во втором случае -
уменьшается.
Если
независимая переменная х
получает некоторое приращение
,
то функция
получает приращение
.
Так как
,
то
.
Приращением
функции
в
точке
называется разность
,
где
– приращение независимой переменной.
Можно дать несколько определений непрерывности функции в точке.
Функция
называется непрерывной
в интервале
,
если она непрерывна в каждой точке этого
интервала. Геометрически непрерывность
функции
в замкнутом интервале означает, что
график функции представляет собой
сплошную линию без разрывов.
Непрерывные на отрезке функции обладают важными свойствами, которые выражаются следующими утверждениями.
Если
функция
непрерывна
на отрезке [a
,
b
],
то она ограничена на этом отрезке.
Если
функция
непрерывна
на отрезке [a
,
b
],
то она достигает на этом отрезке своего
наименьшего и наибольшего значений.
Если
функция
непрерывна
на отрезке [a
,
b
]
и
,
то каким бы ни было число С
,
заключённое между числами А
и В
,
найдётся точка
,
что
.
Из
этого утверждения следует, что если
функция
непрерывна на [a
,
b
]
и на концах этого отрезка принимает
значения разных знаков, то на этом
отрезке существует хотя бы одна точка
c
,
в которой функция обращается в нуль.
Справедливо следующее утверждение: если над непрерывными функциями производить арифметические действия, то в результате получается непрерывная функци я.
Пример 1 .
в
точке
.
Решение
.
Значение функции при
есть
.
Вычислим односторонние пределы функции
в точке
:
Так
как односторонние пределы при
равны между собой и равны значению
функции в этой точке, то данная функция
непрерывна в точке
.
3. Непрерывность элементарных функций
Рассмотрим
функцию
.
Эта постоянная функция непрерывна в
любой точке
,
так как
.
Функция
также непрерывна в каждой точке
,
так как
.
Так как
,
то на основании приведённого утверждения
об арифметических операциях над
непрерывными функциями
будет непрерывной. Непрерывными будут
такжен функции
.
Аналогично можно показать непрерывность остальных элементарных функций.
Таким образом, любая элементарная функция непрерывна в своей области определения, т.е. область определения элементарной функции совпадает с областью её непрерывности.
Непрерывность сложной и обратной функций
Пусть
функция
непрерывна в точке
,
а функция
непрерывна в точке
.
Тогда сложная функция
непрерывна в точке
.
Это означает, что если сложная функция
составлена из непрерывных функций, то
она также будет непрерывной, т.е.
непрерывная
функция от непрерывной функции есть
функция непрерывная
.
Это определение распространяется на
конечное число непрерывных функций.
Из этого определения следует, что под знаком непрерывной функции можно переходить к пределу:
Это означает, что если функция непрерывна, то знак предела и знак функции можно поменять местами.
Пусть
функция
a
,
b
].
Тогда обратная ей функция
определена, строго монотонна и непрерывна
на отрезке [A
,
B
],
где
.
Точки разрыва и их классификаци я
Как
уже известно, что если функция
определена на множестве D
и в точке
выполняется условие
,
то функция непрерывна в этой точке. Если
же это условие непрерывности не
выполняется, то в точке х
0
функция имеет разрыв.
Точка
называется точкой
разрыва первого рода
функции
,
если в этой точке функция имеет конечные
односторонние пределы, не равные друг
другу, т.е.
.
При этом величина
называется
скачком
функции
в точке
.
Точка
называется точкой
устранимого разрыва
функции
,
если односторонние пределы функции в
этой точке равны друг другу и не равны
значению функции в этой точке, т.е.
В
этом случае для устранения разрыва в
точке
нужно положить
Точка
х
0
называется точкой
разрыва второго рода
функции
если
хотя бы один из односторонних пределов
или
в этой точке либо не существует, либо
равен бесконечности.
Пример 2 . Исследовать на непрерывность функцию
.
Решение
.
Функция определена и непрерывна на всей
числовой прямой, за исключением точки
.
В этой точке функция имеет разрыв. Найдём
односторонние пределы функции в точке
:
Так
как в точке
односторонние пределы равны между
собой, а функция в этой точке не определена,
то точка
является точкой устранимого разрыва.
Чтобы устранить разрыв в этой точке,
необходимо доопределить функцию, положив
.
Пример 3 . Исследовать на непрерывность функцию
.
Решение
.
Функция определена и непрерывна на всём
множестве действительных чисел, кроме
.
В этой точке функция имеет разрыв. Найдём
односторонние пределы функции при
:
.
Так
как данная функция в точке
имеет конечные односторонние пределы,
не равные друг другу, то эта точка
является точкой разрыва первого рода.
Скачок функции в точке
равен
.
Вопросы для самоконтроля знаний
Что называется приращением аргумента и приращением функции?
Что называется левосторонним (левым) пределом функции?
Что называется правосторонним (правым) пределом функции?
Какая функция называется непрерывной в точке, в интервале?
Какая точка называется точкой разрыва функции?
Какая точка называется точкой разрыва первого рода?
Какая точка называется точкой разрыва второго рода?
Какая точка называется точкой устранимого разрыва?
Задания для самостоятельной работы
Исследовать функции на непрерывность:
в
точке
.
Приводятся определения и формулировки основных теорем и свойств непрерывной функции одной переменной. Рассмотрены свойства непрерывной функции в точке, на отрезке, предел и непрерывность сложной функции, классификация точек разрыва. Даны определения и теоремы, связанные с обратной функцией. Изложены свойства элементарных функций.
СодержаниеМожно сформулировать понятие непрерывности в терминах приращений
. Для этого мы вводим новую переменную ,
которая называется приращением переменной x
в точке .
Тогда функция непрерывна в точке ,
если
.
Введем новую функцию:
.
Ее называют приращением функции
в точке .
Тогда функция непрерывна в точке ,
если
.
Определение непрерывности справа (слева)
Функция f(x)
называется непрерывной справа (слева) в точке x 0
, если она определена на некоторой правосторонней (левосторонней) окрестности этой точки, и если правый (левый) предел в точке x 0
равен значению функции в x 0
:
.
Теорема об ограниченности непрерывной функции
Пусть функция f(x)
непрерывна в точке x 0
.
Тогда существует такая окрестность U(x 0)
,
на которой функция ограничена.
Теорема о сохранении знака непрерывной функции
Пусть функция непрерывна в точке .
И пусть она имеет положительное (отрицательное) значение в этой точке:
.
Тогда существует такая окрестность точки ,
на которой функция имеет положительное (отрицательное) значение:
при .
Арифметические свойства непрерывных функций
Пусть функции и непрерывны в точке .
Тогда функции ,
и непрерывны в точке .
Если ,
то и функция непрерывна в точке .
Свойство непрерывности слева и справа
Функция непрерывна в точке тогда и только тогда, когда она непрерывна в справа и слева.
Доказательства свойств приводятся на странице «Свойства непрерывных в точке функций ».
Непрерывность сложной функции
Теорема о непрерывности сложной функции
Пусть функция непрерывна в точке .
И пусть функция непрерывна в точке .
Тогда сложная функция непрерывна в точке .
Предел сложной функции
Теорема о пределе непрерывной функции от функции
Пусть существует предел функции при ,
и он равен :
.
Здесь точка t 0
может быть конечной или бесконечно удаленной: .
И пусть функция непрерывна в точке .
Тогда существует предел сложной функции ,
и он равен :
.
Теорема о пределе сложной функции
Пусть функция имеет предел и отображает проколотую окрестность точки на проколотую окрестность точки .
Пусть функция определена на этой окрестности и имеет на ней предел .
Здесь - конечные или бесконечно удаленные точки: .
Окрестности и соответствующие им пределы могут быть как двусторонние, так и односторонние.
Тогда существует предел сложной функции и он равен :
.
Точки разрыва
Определение точки разрыва
Пусть функция определена на некоторой проколотой окрестности точки .
Точка называется точкой разрыва функции
,
если выполняется одно из двух условий:
1) не определена в ;
2) определена в ,
но не является в этой точке.
Определение точки разрыва 1-го рода
Точка называется точкой разрыва первого рода
, если является точкой разрыва и существуют конечные односторонние пределы слева и справа :
.
Определение скачка функции
Скачком Δ функции
в точке называется разность пределов справа и слева
.
Определение точки устранимого разрыва
Точка называется точкой устранимого разрыва
, если существует предел
,
но функция в точке или не определена, или не равна предельному значению: .
Таким образом, точка устранимого разрыва - это точка разрыва 1-го рода, в которой скачек функции равен нулю.
Определение точки разрыва 2-го рода
Точка называется точкой разрыва второго рода
, если она не является точкой разрыва 1-го рода.
То есть если не существует, хотя бы одного одностороннего предела, или хотя бы один односторонний предел в точке равен бесконечности.
Свойства функций, непрерывных на отрезке
Определение функции, непрерывной на отрезке
Функция называется непрерывной на отрезке (при ), если она непрерывна во всех точках открытого интервала (при ) и в точках a
и b
,
соответственно.
Первая теорема Вейерштрасса об ограниченности непрерывной на отрезке функции
Если функция непрерывна на отрезке ,
то она ограничена на этом отрезке.
Определение достижимости максимума (минимума)
Функция достигает своего максимума (минимума) на множестве ,
если существует такой аргумент ,
для которого
для всех .
Определение достижимости верхней (нижней) грани
Функция достигает своей верхней (нижней) грани на множестве ,
если существует такой аргумент ,
для которого
.
Вторая теорема Вейерштрасса о максимуме и минимуме непрерывной функции
Непрерывная на отрезке функция достигает на нем своих верхней и нижней граней или, что тоже самое, достигает на отрезке своего максимума и минимума.
Теорема Больцано - Коши о промежуточном значении
Пусть функция непрерывна на отрезке .
И пусть C
есть произвольное число, находящееся между значениями функции на концах отрезка: и .
Тогда существует точка ,
для которой
.
Следствие 1
Пусть функция непрерывна на отрезке .
И пусть значения функции на концах отрезка имеют разные знаки: или .
Тогда существует точка ,
значение функции в которой равно нулю:
.
Следствие 2
Пусть функция непрерывна на отрезке .
И пусть .
Тогда функция принимает на отрезке все значения из и только эти значения:
при .
Обратные функции
Определение обратной функции
Пусть функция имеет область определения X
и множество значений Y
.
И пусть она обладает свойством:
для всех .
Тогда для любого элемента из множества Y
можно поставить в соответствие только один элемент множества X
,
для которого .
Такое соответствие определяет функцию, которая называется обратной функцией
к .
Обратная функция обозначается так:
.
Из определения следует, что
;
для всех ;
для всех .
Лемма о взаимной монотонности прямой и обратной функций
Если функция строго возрастает (убывает) , то существует обратная функция ,
которая также строго возрастает (убывает).
Свойство о симметрии графиков прямой и обратной функций
Графики прямой и обратной функций симметричны относительно прямой .
Теорема о существовании и непрерывности обратной функции на отрезке
Пусть функция непрерывна и строго возрастает (убывает) на отрезке .
Тогда на отрезке определена и непрерывна обратная функция ,
которая строго возрастает (убывает).
Для возрастающей функции . Для убывающей - .
Теорема о существовании и непрерывности обратной функции на интервале
Пусть функция непрерывна и строго возрастает (убывает) на открытом конечном или бесконечном интервале .
Тогда на интервале определена и непрерывна обратная функция ,
которая строго возрастает (убывает).
Для возрастающей функции .
Для убывающей: .
Аналогичным образом можно сформулировать теорему о существовании и непрерывности обратной функции на полуинтервале.
Свойства и непрерывность элементарных функций
Элементарные функции и обратные к ним непрерывны на своей области определения. Далее мы приводим формулировки соответствующих теорем и даем ссылки на их доказательства.
Показательная функция
Показательная функция f(x)
= a x
,
с основанием a > 0
- это предел последовательности
,
где есть произвольная последовательность рациональных чисел, стремящаяся к x
:
.
Теорема. Свойства показательной функции
Показательная функция имеет следующие свойства:
(П.0)
определена, при ,
для всех ;
(П.1)
при a ≠ 1
имеет множество значений ;
(П.2)
строго возрастает при ,
строго убывает при ,
является постоянной при ;
(П.3)
;
(П.3*)
;
(П.4)
;
(П.5)
;
(П.6)
;
(П.7)
;
(П.8)
непрерывна для всех ;
(П.9)
при ;
при .
Логарифм
Логарифмическая функция, или логарифм, y = log a x , с основанием a - это функция, обратная к показательной функции с основанием a .
Теорема. Свойства логарифма
Логарифмическая функция с основанием a
,
y = log
a x
,
имеет следующие свойства:
(Л.1)
определена и непрерывна, при и ,
для положительных значений аргумента,;
(Л.2)
имеет множество значений ;
(Л.3)
строго возрастает при ,
строго убывает при ;
(Л.4)
при ;
при ;
(Л.5)
;
(Л.6)
при ;
(Л.7)
при ;
(Л.8)
при ;
(Л.9)
при .
Экспонента и натуральный логарифм
В определениях показательной функции и логарифма фигурирует постоянная a
,
которая называется основанием степени или основанием логарифма. В математическом анализе, в подавляющем большинстве случаев, получаются более простые вычисления, если в качестве основания использовать число e
:
.
Показательную функцию с основанием e
называют экспонентой: ,
а логарифм по основанию e
- натуральным логарифмом: .
Свойства экспоненты и натурального логарифма изложены на страницах
«Экспонента, е в степени х »,
«Натуральный логарифм, функция ln x »
Степенная функция
Степенная функция с показателем степени p
- это функция f(x)
= x p
,
значение которой в точке x
равно значению показательной функции с основанием x
в точке p
.
Кроме этого, f(0) = 0
p = 0
при p > 0
.
Здесь мы рассмотрим свойства степенной функции y = x p
при неотрицательных значениях аргумента .
Для рациональных ,
при нечетных m
,
степенная функция определена и для отрицательных x
.
В этом случае, ее свойства можно получить, используя четность или нечетность.
Эти случаи подробно рассмотрены и проиллюстрированы на странице «Степенная функция, ее свойства и графики ».
Теорема. Свойства степенной функции (x ≥ 0)
Степенная функция, y = x p
,
с показателем p
имеет следующие свойства:
(С.1)
определена и непрерывна на множестве
при ,
при ».
Тригонометрические функции
Теорема о непрерывности тригонометрических функций
Тригонометрические функции: синус (sin
x
), косинус (cos
x
), тангенс (tg
x
) и котангенс (ctg
x
Теорема о непрерывности обратных тригонометрических функций
Обратные тригонометрические функции: арксинус (arcsin
x
), арккосинус (arccos
x
), арктангенс (arctg
x
) и арккотангенс (arcctg
x
), непрерывны на своих областях определения.
Использованная литература:
О.И. Бесов. Лекции по математическому анализу. Часть 1. Москва, 2004.
Л.Д. Кудрявцев. Курс математического анализа. Том 1. Москва, 2003.
С.М. Никольский. Курс математического анализа. Том 1. Москва, 1983.