функция - это соответствие между элементами двух множеств, установленное по такому правилу, что каждому элементу одного множества ставится в соответствие некоторый элемент из другого множества.
график функции - это геометрическое место точек плоскости, абсциссы (x) и ординаты (y) которых связаны указанной функцией:
точка располагается (или находится) на графике функции тогда и только тогда, когда .
Таким образом, функция может быть адекватно описана своим графиком.
Табличный способ. Довольно распространенный, заключается в задании таблицы отдельных значений аргумента и соответствующих им значений функции. Такой способ задания функции применяется в том случае, когда область определения функции является дискретным конечным множеством.
При табличном способе задания функции можно приближенно вычислить не содержащиеся в таблице значения функции, соответствующие промежуточным значениям аргумента. Для этого используют способ интерполяции.
Преимущества табличного способа задания функции состоят в том, что он дает возможность определить те или другие конкретные значения сразу, без дополнительных измерений или вычислений. Однако, в некоторых случаях таблица определяет функцию не полностью, а лишь для некоторых значений аргумента и не дает наглядного изображения характера изменения функции в зависимости от изменения аргумента.
Графический способ. Графиком функции y = f(x) называется множество всех точек плоскости, координаты которых удовлетворяют данному уравнению.
Графический способ задания функции не всегда дает возможность точно определить численные значения аргумента. Однако он имеет большое преимущество перед другими способами - наглядность. В технике и физике часто пользуются графическим способом задания функции, причем график бывает единственно доступным для этого способом.
Чтобы графическое задание функции было вполне корректным с математической точки зрения, необходимо указывать точную геометрическую конструкцию графика, которая, чаще всего, задается уравнением. Это приводит к следующему способу задания функции.
Аналитический способ. Чаще всего закон, устанавливающий связь между аргументом и функцией, задается посредством формул. Такой способ задания функции называется аналитическим.
Этот способ дает возможность по каждому численному значению аргумента x найти соответствующее ему численное значение функции y точно или с некоторой точностью.
Если зависимость между x и y задана формулой, разрешенной относительно y, т.е. имеет вид y = f(x), то говорят, что функция от x задана в явном виде.
Если же значения x и y связаны некоторым уравнением вида F(x,y) = 0, т.е. формула не разрешена относительно y, что говорят, что функция y = f(x) задана неявно.
Функция может быть определена разными формулами на разных участках области своего задания.
Аналитический способ является самым распространенным способом задания функций. Компактность, лаконичность, возможность вычисления значения функции при произвольном значении аргумента из области определения, возможность применения к данной функции аппарата математического анализа - основные преимущества аналитического способа задания функции. К недостаткам можно отнести отсутствие наглядности, которое компенсируется возможностью построения графика и необходимость выполнения иногда очень громоздких вычислений.
Словесный способ. Этот способ состоит в том, что функциональная зависимость выражается словами.
Пример 1: функция E(x) - целая часть числа x. Вообще через E(x) = [x] обозначают наибольшее из целых чисел, которое не превышает x. Иными словами, если x = r + q, где r - целое число (может быть и отрицательным) и qпринадлежит интервалу = r. Функция E(x) = [x] постоянна на промежутке = r.
Пример 2: функция y = {x} - дробная часть числа. Точнее y ={x} = x - [x], где [x] - целая часть числа x. Эта функция определена для всех x. Если x - произвольное число, то представив его в виде x = r + q (r = [x]), где r - целое число и q лежит в интервале .
Мы видим,что добавление n к аргументу x, не меняет значение функции.
Наименьшее отличное от нуля число из n есть , таким образом, это период sin 2x .
Значение аргумента, при котором функция равна 0, называется нулём (корнем ) функции.
Функция может иметь несколько нулей.
Например, функция y = x (x + 1)(x-3) имеет три нуля: x = 0, x = - 1, x =3 .
Геометрически нуль функции – это абсцисса точки пересечения графика функции с осью Х .
На рис.7 представлен график функции с нулями: x = a, x = b и x = c .
Если график функции неограниченно приближается к некоторой прямой при своём удалении от начала координат, то эта прямая называется асимптотой .
Обратная функция
Пусть задана функция у=ƒ(х) с областью определения D и множеством значений Е. Если каждому значению уєЕ соответствует единственное значение хєD, то определена функция х=φ(у) с областью определения Е и множеством значений D (см. рис. 102).
Такая функция φ(у) называется обратной к функции ƒ(х) и записывается в следующем виде: х=j(y)=f -1 (y).Про функции у=ƒ(х) и х=φ(у) говорят, что они являются взаимно обратными. Чтобы найти функцию х=φ(у), обратную к функции у=ƒ (х), достаточно решить уравнение ƒ(х)=у относительно х (если это возможно).
1. Для функции у=2х обратной функцией является функция х=у/2;
2.Для функции у=х2 хє обратной функцией является х=√у; заметим, что для функции у=х 2 , заданной на отрезке [-1; 1], обратной не существует, т. к. одному значению у соответствует два значения х (так, если у=1/4, то х1=1/2, х2=-1/2).
Из определения обратной функции вытекает, что функция у=ƒ(х) имеет обратную тогда и только тогда, когда функция ƒ(х) задает взаимно однозначное соответствие между множествами D и Е. Отсюда следует, что любая строго монотонная функция имеет обратную. При этом если функция возрастает (убывает), то обратная функция также возрастает (убывает).
Заметим, что функция у=ƒ(х) и обратная ей х=φ(у) изображаются одной и той же кривой, т. е. графики их совпадают. Если же условиться, что, как обычно, независимую переменную (т. е. аргумент) обозначить через х, а зависимую переменную через у, то функция обратная функции у=ƒ(х) запишется в виде у=φ(х).
Это означает, что точка M 1 (x o ;y o) кривой у=ƒ(х) становится точкой М 2 (у о;х о) кривой у=φ(х). Но точки M 1 и М 2 симметричны относительно прямой у=х (см. рис. 103). Поэтому графики взаимно обратных функции у=ƒ(х) и у=φ(х) симметричны относительно биссектрисы первого и третьего координатных углов.
Пусть функция у=ƒ(u) определена на множестве D, а функция u= φ(х) на множестве D 1 , причем для x D 1 соответствующее значение u=φ(х) є D. Тогда на множестве D 1 определена функция u=ƒ(φ(х)), которая называется сложной функцией от х (или суперпозицией заданных функций, или функцией от функции).
Переменную u=φ(х) называют промежуточным аргументом сложной функции.
Например, функция у=sin2x есть суперпозиция двух функций у=sinu и u=2х. Сложная функция может иметь несколько промежуточных аргументов.
4. Основные элементарный функции и их графики.
Основными элементарными функциями называют следующие функции.
1) Показательная функция у=a х,a>0, а ≠ 1. На рис. 104 показаны графики показательных функций, соответствующие различным основаниям степени.
2) Степенная функция у=х α , αєR. Примеры графиков степенных функций, соответствующих различным показателям степени, предоставлены на рисунках
3)Логарифмическая функция y=log a x, a>0,a≠1;Графики логарифмических функций, соответствующие различным основаниям, показаны на рис. 106.
4) Тригонометрические функции у=sinx, у=cosx, у=tgх, у=ctgx; Графики тригонометрических функций имеют вид, показанный на рис. 107.
5) Обратные тригонометрические функции у=arcsinx, у=arccosх, у=arctgx, у=arcctgx. На рис. 108 показаны графики обратных тригонометрических функций.
Функция, задаваемая одной формулой, составленной из основных элементарных функций и постоянных с помощью конечного числа арифметических операций (сложения, вычитания, умножения, деления) и операций взятия функции от функции, называется элементарной функцией.
Примерами элементарных функций могут служить функции
Примерами неэлементарных функций могут служить функции
5. Понятия предела последовательности и функции. Свойства пределов.
Преде́л фу́нкции (предельное значение функции ) в заданной точке,предельной для области определения функции, - такая величина, к которой стремится значение рассматриваемой функции при стремлении её аргумента к данной точке.
В математике пределом последовательности элементов метрического пространства или топологического пространства называют элемент того же пространства, который обладает свойством «притягивать» элементы заданной последовательности. Пределом последовательности элементовтопологического пространства является такая точка, каждая окрестность которой содержит все элементы последовательности, начиная с некоторого номера. В метрическом пространстве окрестности определяются через функцию расстояния, поэтому понятие предела формулируется на языке расстояний. Исторически первым было понятиепредела числовой последовательности, возникающее в математическом анализе, где оно служит основанием для системы приближений и широко используется при построении дифференциального и интегральногоисчислений.
Обозначение:
(читается: предел последовательности икс-энное при эн, стремящемся к бесконечности, равен a )
Свойство последовательности иметь предел называют сходимостью : если у последовательности есть предел, то говорят, что данная последовательность сходится ; в противном случае (если у последовательности нет предела) говорят, что последовательность расходится . В хаусдорфовом пространстве и, в частности, метрическом пространстве , каждая подпоследовательность сходящейся последовательности сходится, и её предел совпадает с пределом исходной последовательности. Другими словами, у последовательности элементов хаусдорфово пространства не может быть двух различных пределов. Может, однако, оказаться, что у последовательности нет предела, но существует подпоследовательность (данной последовательности), которая предел имеет. Если из любой последовательности точек пространства можно выделить сходящуюся подпоследовательность, то, говорят, что данное пространство обладает свойством секвенциальной компактности (или, просто, компактности, если компактность определяется исключительно в терминах последовательностей).
Понятие предела последовательности непосредственно связано с понятием предельной точки (множества): если у множества есть предельная точка, то существует последовательность элементов данного множества, сходящаяся к данной точке.
Определение
Пусть дано топологическое пространство и последовательность Тогда, если существует элемент такой, что
где - открытое множество, содержащее , то он называется пределом последовательности . Если пространство является метрическим, то предел можно определить с помощью метрики: если существует элемент такой, что
где - метрика, то называется пределом .
· Если пространство снабжено антидискретной топологией, то пределом любой последовательности будет любой элемент пространства.
6. Предел функции в точке. Односторонние пределы.
Функция одной переменной. Определение предела функции в точке по Коши.
Число b
называется пределом функции у
= f
(x
) при х
, стремящемся к а
(или в точке а
), если для любого положительного числа существует такое положительное число , что при всех х ≠ а, таких, что |x
– a
| < , выполняется неравенство
| f
(x
) – a
| < .
Определение предела функции в точке по Гейне. Число b называется пределом функции у = f (x ) при х , стремящемся к а (или в точке а ), если для любой последовательности {x n }, сходящейся к а (стремящейся к а , имеющей пределом число а ), причем ни при каком значении n х n ≠ а , последовательность {y n = f (x n)} сходится к b .
Данные определения предполагают, что функция у = f (x ) определена в некоторой окрестноститочки а , кроме, быть может, самой точки а .
Определения предела функции в точке по Коши и по Гейне эквивалентны: если число b служит пределом по одному из них, то это верно и по второму.
Указанный предел обозначается так:
Геометрически существование предела функции в точке по Коши означает, что для любого числа > 0 можно указать на координатной плоскости такой прямоугольник с основанием 2 > 0, высотой 2 и центром в точке (а; b ), что все точки графика данной функции на интервале (а – ; а + ), за исключением, быть может, точки М (а ; f (а )), лежат в этом прямоугольнике
Односторо́нний преде́л в математическом анализе - предел числовой функции, подразумевающий «приближение» к предельной точке с одной стороны. Такие пределы называют соответственно левосторо́нним преде́лом (или преде́лом сле́ва ) и правосторо́нним преде́лом (преде́лом спра́ва ). Пусть на некотором числовом множестве задана числовая функция и число - предельная точка области определения . Существуют различные определения для односторонних пределов функции в точке , но все они эквивалентны.
>>Математика: Способы задания функции
Способы задания функции
Приводя в предыдущем параграфе различные примеры функций, мы несколько обеднили само понятие функции .
Ведь задать функцию - это значит указать правило, которое позволяет по произвольно выбранному значению х из Б(0 вычислить соответствующее значение у. Чаще всего это правило связано с формулой или с несколькими формулами - такой способ задания функции обычно называют аналитическим. Все функции, рассмотренные в § 7, были заданы аналитически. Между тем есть другие способы задания функции, о них и пойдет речь в настоящем параграфе.
Если функция была задана аналитически и нам удалось построить график функции, то мы фактически перешли от аналитического способа задания функции к графическому. Обратный же переход удается осуществить далеко не всегда. Как правило, это довольно трудная, но интересная задача.
Не всякая линия на координатной плоскости может рассматриваться как график некоторой функции. Например, окружность , заданная уравнением х 2 + у 2 - 9 (рис. 51), не является графиком функции, поскольку любая прямая х = а, где | а | <3, пересекает эту линию в д в у х точках (а для задания функции таких точек должно быть не более одной, т.е. прямая х = а должна пересекать линию F только в одной точке либо вообще не должна ее пересекать).
В то же время если эту окружность разрезать на две части - верхнюю полуокружность (рис. 52) и нижнюю полуокружность (рис. 53), - то каждую из полуокружностей можно считать графиком некоторой функции, причем в обоих случаях несложно от графического способа задания функции перейти к аналитическому.
Из уравнения х 2 + у 2 = 9 находим у 2 = 9 - х 2 и далее 
Графиком функции является верхняя полуокружность окружности х 2 + у 2 =9 (рис. 52), а графиком функции является нижняя полуокружность окружности х 2 + у 2 = 9 (рис. 53).
Этот пример позволяет обратить внимание на одно существенное обстоятельство. Посмотрите на график функции (рис. 52). Сразу ясно, что D(f) = [-3, 3]. А если бы речь шла об отыскании области определения аналитически заданной функции Тогда пришлось бы, как мы это делали в § 7, тратить время и силы на решение неравенства Потому-то обычно и стараются работать одновременно и с аналитическим, и с графическим способами задания функций. Впрочем, за два года изучения курса алгебры в школе вы к этому уже привыкли.
Кроме аналитического и графического, на практике применяют табличный способ задания функции. При этом способе приводится таблица, в которой указаны значения функции (иногда точные, иногда приближенные) для конечного множества значений аргумента. Примерами табличного задания функции могут служить таблицы квадратов чисел, кубов чисел, квадратных корней и т.д.
Во многих случаях табличное задание функции является удобным. Оно позволяет найти значение функции для имеющихся в таблице значений аргумента без всяких вычислений.
Аналитический, графический, табличный - наитабличный, более простые, а потому наиболее популярные словесный задания функции, для наших нужд этих способов вполне достаточно. На самом деле в математике имеется довольно много различных способов задания функции, но мы познакомим вас еще только с одним способом, который используется в весьма своеобразных ситуациях. Речь идет о словесном способе, когда правило задания функции описывается словами. Приведем примеры.
Пример 1.
Функция у = f(х) задана на множестве всех неотрицательных чисел с помощью следующего правила: каждому числу х > 0 ставится в соответствие первый знак после запятой в десятичной записи числа х. Если, скажем, х = 2,534, то f(х) = 5 (первый знак после запятой - цифра 5); если х = 13,002, то f(х) = 0; если то, записав в виде бесконечной десятичной дроби 0,6666..., находим f(х) = 6. А чему равно значение f(15)? Оно равно 0, так как 15 = 15,000... , и мы видим, что первый десятичный знак после запятой есть 0 (вообще-то верно и равенство 15 = 14,999... , но математики договорились не рассматривать бесконечные периодические десятичные дроби с периодом 9).
Любое неотрицательное число х можно записать в виде десятичной дроби (конечной или бесконечной), а потому для каждого значения х можно найти определенное значение первого знака после запятой, так что мы можем говорить о функции, хотя и несколько необычной. У этой функции 
Пример 2.
Функция у = f(х) задана на множестве всех действительных чисел с помощью следующего правила: каждому числу х ставится в соответствие наибольшее из всех целых чисел, которые не превосходят х. Иными словами, функция у = f(х) определяется следующими условиями:
а) f(х) - целое число;
б) f(х) < х (поскольку f(х) не превосходит х);
в) f(х) + 1 > х (поскольку f(х) - наибольшее целое число, не превосходящее х, значит, f(х) + 1 уже больше, чем г). Если, скажем, х = 2,534, то f(х) = 2, поскольку, во-первых, 2 - целое число, во-вторых, 2 < 2,534 и, в-третьих, следующее целое число 3 уже больше, чем 2,534. Если х = 47, то /(х) = 47, поскольку, во-первых, 47 - целое число, во-вторых, 47< 47 (точнее, 47 = 47) и, в-третьих, следующее за числом 47 целое число 48 уже больше, чем 47. А чему равно значение f(-0,(23))? Оно равно -1. Проверяйте: -1 - наибольшее из всех целых чисел, которые не превосходят числа -0,232323....
У этой функции (множество целых чисел).
Функцию, о которой шла речь в примере 2, называют целой частью числа; для целой части числа х используют обозначение [х]. Например, = 2, = 47, [-0,(23)] = -1. Очень своеобразно выглядит график функции у = [х] (рис. 54).
Понятие функции Способы задания функции Примеры функций Аналитическое задание функции Графический способ задания функции Предел функции в точке Табличный способ задания функции теоремы о пределах единственность предела ограниченность функции, имеющей предел переход к пределу в неравенстве Предел функции в бесконечности Бесконечно малые функции Свойства бесконечно малых функций
Понятие функции является основным и первоначальным, как и понятие множества. Пусть X - некоторое множество действительных чисел х. Если каждому х € X по некоторому закону поставлено в соответствие определенное действительное число у, то говорят, что на множестве X задана функция и пишут Введенную таким образом функцию называют числовой. При этом множество X называют областью onределения функции, а независимую переменную х - аргументом. Для указания функции иногда используют только символ, которым обозначен закон соответствия, т. е. вместо f(x) п и шут просто /. Таким образом, функция задана, если указаны 1) область определения 2) правило /, которое каждому значению а: € X ставит в соответствие определенное число у = /(х) - значение функции, отвечающее этому значению аргумента х. Функции / и g называют равными, если их области определения совпадают и равенство f(x) = g(x) верно для любого значения аргумента х из их обшей области определения. Так, функции у, не являются равными; они равны только на отрезке [О, I]. Примеры функций. 1. Последовательность {о„} есть функция целочисленного аргумента, определенная на множестве натуральных чисел, такая, что /(п) = ап (п = 1,2,...). 2. Функция у = п? (читается «эн-факториал»). Задана на множестве натуральных чисел: каждому натуральному числу п ставится в соответствие произведение всех натуральных чисел от 1 до п включительно: причем условно полагают 0! = 1. Обозначение sign происходит от латинского слова signum - знак. Эта функция определена на всей числовой прямой множество ее значений состоит из трех чисел -1,0, I (рис. 1). у = |х), где (х) обозначает целую часть действительного числа х, т. е. [х| - наибольшее целое число, не превосходящее Читается: -игрек равно антье икс» (фр. entier). Эта функция задана на всей числовой оси, а множество всех ее значений состоит из целых чисел (рис. 2). Способы задания функции Аналитическое задание функции Функция у = f(x) называется заданной аналитически, если она определяется с помощью формулы, указывающей, какие действия надо произвести над каждым значением х, чтобы получить соответствующее значение у. Например, функция задана аналитически. При этом под областью определения функции (если она заранее не указана) понимается множество всех действительных значений аргумента х, при которых аналитическое выражение, определяющее функцию, принимает лишь действительные и конечные значения. В этом смысле область определения функции называют также ее областью существования. Для функции областью определения является отрезок Для функции у - sin х область определения - вся числовая ось. Заметим, что не всякая формула определяет функцию. Например, формула никакую функцию не определяет, так как нет ни одного действительного значения х, при котором имели б ы действительные значения оба написанных выше корня. Аналитическое задание функции может выглядеть достаточно сложно. В частности, функция может быть задана различными формулами на различных частях своей области определения. Например, функция может быть определена так: 1.2. Графический способ задания функции Функция у = f(x) называется заданной графически, если задан ее график, т.е. множество точек (ху/(х)) на плоскости хОу, абсциссы которых принадлежат области определения функции, а ординаты равны соответствующим значениям функции (рис.4). Не для каждой функции ее график можно изобразить на рисунке. Например, функция Дирихле если х - рациональное, если х - иррациональное, ZX \о, не допускает такого изображения. Функция Я(х) задана на всей числовой оси, а множество ее значений состоит из двух чисел 0 и 1. 1.3. Табличный способ задания функции Функция называется заданной таблично, если приведена таблица, в которой указаны численные значения функции для некоторых значений аргумента. При табличном задании функции ее область определения состоит только из значений x\t x2i..., хп, перечисленных в таблице. §2. Предел функции в точке Понятие предела функции является центральным в математическом анализе. Пусть функция f(x) определена в некоторой окрестности Q точки xq, кроме, быть может, самой точки доопределение (Коши). Число А называется пределом функции f(x) в точке хо, если для любого числа е > 0. которое может быть как угодно малым, существует число <5 > 0, такое, что для всех iGH.i^ ж0, удовлетворяющих условию верно неравенство Понятие функции Способы задания функции Примеры функций Аналитическое задание функции Графический способ задания функции Предел функции в точке Табличный способ задания функции теоремы о пределах единственность предела ограниченность функции, имеющей предел переход к пределу в неравенстве Предел функции в бесконечности Бесконечно малые функции Свойства бесконечно малых функций Обозначение: С помощьюлогическихсимволов это определение выражается следующим образом Примеры. 1. Пользуясь определением предела функции в точке, показать, что Функция определена всюду, включая точку zo = 1: /(1) = 5. Возьмем любое. Для того, чтобы неравенство |(2х + 3) - 5| имело место, необходимо выполнение следующих неравенств Следовательно, если взять будем иметь. Это означает, что число 5 есть предел функции: в точке 2. Пользуясь определением предела функции, показать, что Функция не определена в точке хо = 2. Рассмотрим /(х) в некоторой окрестности точки-Xq = 2, например, на интервале (1, 5), не содержащем точку х = 0, в которой функция /(х) также не определена. Возьмем произвольное число с > 0 и преобразуем выражение |/(х) - 2| при х ф 2 следующим образом Для х б (1, 5) получаем неравенство Отсюда видно, что если взять 6 = с, то для всех х € (1,5), подчиненных условию будет верно неравенство Это означает, что число Л - 2 является пределом данной функции в точке Дадим геометрическое пояснение понятия предела функции в точке, обратившись к ее графику (рис. 5). При х значения функции /(х) определяются ординатами точек кривой М\М,при х > хо - ординатами точек кривой ММ2. Значение /(х0) определяется ординатой точки N. График данной функции получается, если взять «хорошую» кривую М\ММг и точку М(х0, А) на кривой заменитьточкой jV. Покажем, что в точке хо функция /(х) имеет предел, равный числу А (ординате точки М). Возьмем любое (как угодно малое) число е > 0. Отметим на оси Оу точки с ординатами А, А - е, А + е. Обозначим через Р и Q точки пересечения графика функции у = /(х) с прямыми у = А- епу = А + е. Пусть абсциссы этих точек есть х0 - Ль х0 + hi соответственно (ht > 0, /12 > 0). Из рисунка видно, что для любого х Ф х0 из интервала (х0 - h\, х0 + hi) значение функции /(х) заключено между. для всех х ^ хо, удовлетворя ющих условию верно неравенство Положим Тогда интервал будет содержаться в интервале и, следовательно, неравенство или, что тоже, будет выполнено для всех х, удовлетворяющих условию Это доказывает, что Таким образом, функция у = /(х) имеетпредел А вточкехо, если, какой быузкой ни была е-полоска между прямыми у = А- ену = А + е, найдется такое «5 > 0, что для всех х из проколотой окрестности точки х0 точки графика функции у = /(х) оказываются внутри указанной е-полоски. Замечание 1. Величина б зависитот е: 6 = 6(e). Замечание 2. В определении предела функции в точке Xq сама точка хо из рассмотрения исключается. Таким образом, значение функции в точке Хо нс влияет на предел функции в этой точке. Более того, функция может быть даже не определена в точке Xq. Поэтому две функции, равные в окрестности точки Xq, исключая, быть может, саму точку хо (в ней они могут иметь разные значения, одна из них или обе вместе могут быть не определены), имеют при х - Xq один и тот же предел или обе не имеют предела. Отсюда, в частности, следует, чтодля отыскания вточке хо предела дроби законно сокращать эту дробь на равные выражения, обращающиеся в нуль при х = Xq. Пример 1. Найти Функция /(х) = j для всех х Ф 0 равна единице, а в точке х = 0 не определена. Заменив /(х) на равную ей при х 0 функцию д(х) = 1, получаем Понятие функции Способы задания функции Примеры функций Аналитическое задание функции Графический способ задания функции Предел функции в точке Табличный способ задания функции теоремы о пределах единственность предела ограниченность функции, имеющей предел переход к пределу в неравенстве Предел функции в бесконечности Бесконечно малые функции Свойства бесконечно малых функций Пример 2. Найти lim /(х), где Функция, совпадает с функцией /(х) всюду, исключая точку х = 0, и имеет в точке х = 0 предел, равный нулю: lim д(х) = 0 (покажите это!). Поэтому lim /(х) = 0. Задача. Сформулировать с помощью неравенств (на языке е -6), что означает Пусть функция /(я) определена в некоторой окрестности П точки х0, кроме, быть может, самой точки х0. Определение (Гейне). Число А называется пределом функции /(х) в точке х0, если для любой последовательности {хп} значений аргумента х 6 П, z„ / х0), сходящейся к точке х0, соответствующая последовательность значений функции {/(х„)} сходится к числу А. Приведенным определением удобно пользоваться, когда надо установить, что функция /(х) не имеет предела в точке х0. Для этого достаточно найти какую-нибудь последовательность {/(хп)}, не имеющую предела, или же указать две последовательности {/(хп)} и {/(х"п)}, имеющие различные пределы. Покажем, например, чтофунк-иия /(х) = sin j (рис.7), определенная ВСЮДУ, Кроме ТОЧКИ X = О, Рис.7 н е имеет предела в точке х = 0. Рассмотрим две последовательности {, сходящиеся к точке х = 0. Соответствующие последовательности значений функции /(х) сходятся к разным пределам: последовательность {sinnTr} сходится к нулю, а последовательность {sin(5 + - к единице. Это означает, что функция /(х) = sin j в точке х = 0 предела не имеет. Замечание. Оба определения предела функии» в точке (определение Коши и определение Гейне) равносильны. §3. Теоремы о пределах Теорема 1 (единственность предела). Если функция f(x) имеет предел в точке хо, то этот предел единственный. А Пусть lim /(х) = А. Покажем, что никакое число В ф А не может быть пределом х-х0 функции /(х) вточкех0. Тотфакт,что lim /(х) ф Вспомощьюлогическихсимволов ХО формулируется так: Воспользовавшись неравенством получаем, Возьмем е = > 0. Поскольку lim /(х) = А, для выбранного е > 0 найдется 6 > 0 такое, что Из соотношения (1) для указанных значений х имеем Итак, нашлось такое, что каким бы малым ни было существуют х Ф xQ, такие, что и вместе с тем ^ е. Отсюда В Определение. Функция /(х) называется ограниченной в окрестности точки х0> если существуют числа М > 0 и 6 > 0 такие, что Теорема 2 (ограниченность функции, имеющей предел). Если функция f{x) определена в окрестности точки х0 и имеет в точке х0 конечный предел, то она ограничена в некоторой окрестности этой точки. м Пусть Тогда для любого например, для е = 1, найдется такое 6 > О, что для всех х Ф х0, удовлетворяющих условию будет верно неравенство Замечая, что всегда получим Положим. Тогда в каждой точке х интервала будем иметь Это означает, согласно определению, что функция /(х) ограничена в окрестности Напротив, из ограниченности функции /(х) в окрестности точки х0 не следует существования предела функции /(х) в точке х0. Например, функция /(х) = sin офаничена в окрестности точки но не имеет предела в точке х = 0. Сформулируем еще две теоремы, геометрический смысл которыхдостаточноясен. Теорема 3 (переход к пределу в неравенстве). Если /(х) ^ ip(x) для всех х из некоторой окрестности точки х0, кроме, быть может, самой точки х0, и каждая из функций /(х) и ip(x) в точке х0 имеет предел, то Заметим, что из строгого неравенства для функций не обязательно следует строгое неравенство для их пределов. Если эти пределы существуют, то мы можем утверждать лишь, что Так, например, для функций выполнено неравенство в то время как Теорема 4 (предел промежуточной функции). Если для всех х в некоторой окрестности точки Xq, кроме, быть может, самой точки х0 (рис.9), и функции f{x) и ip(x) в точке хо имеют один и тот же предел А, то и функция f(x) в точке х0 имеет предел, равный этому же чиыу А. § 4. Предел функции в бесконечности Пусть функция /(х) определена либо на всей числовой оси, либо по крайней мерс для всех х, удовлетворяющих условию jx| > К при некотором К > 0. Определение. Число А называют пределом функции f(x) при х, стремящемся к бесконечности, и пишут если для любого е > 0 существует число jV > 0 такое, что для всех х, удовлетворяющих условию |х| > Лг, верно неравенство Заменив в этом определении условие соответственно, получим определения Из этих определений следует, что тогда и только тогда, когда одновременно Тот факт, геометрически означает следующее: какой бы узкой ни была е-полоска между прямыми у = А- еиу = А + е, найдется такая прямая х = N >0, что правее нес график функции у = /(ж) целиком содержится в указанной е-полоске (рис. 10). В этом случае говорят, что при х +оо график функции у = /(ж) асимптотически приближается к прямой у = А. Пример, Функция /(х) = jtjj- определена на всей числовой оси и представляет собой дробь, у которой числитель постоянен, а знаменатель неограниченно возрастает при |х| +оо. Естественно ожидать, что lim /(х)=0. Покажем это. М Возьмем любое е > 0, подчиненное условию Чтобы имело место соотношение должно выполняться неравенство с или, что то же, откуда Таким образом. если взять будем иметь. Это означает, что число есть предел данной функции при Заметим, что подкоренное выражение лишь для t ^ 1. В случае, когда, неравенство с выполняется автоматически для всех График четной функции у = - асимптотически приближается к прямой Задача. Сформулировать с помощью неравенств, что означает §5. Бесконечно малые функции Пусть функция а(х) определена в некоторой окрестности точки хо, кроме, быть может, самой точки х0. Определение. Функция а(х) называется бесконечно малой функцией (сокращенно б. м. ф.) при х, стремящемся к хо, если Понятие функции Способы задания функции Примеры функций Аналитическое задание функции Графический способ задания функции Предел функции в точке Табличный способ задания функции теоремы о пределах единственность предела ограниченность функции, имеющей предел переход к пределу в неравенстве Предел функции в бесконечности Бесконечно малые функции Свойства бесконечно малых функций Например, функция а(х) = х - 1 является б. м. ф. при х 1,таккак lim(x-l) = 0. График функции у = х-1 1-1 изображен на рис. II. Вообще, функция а(х)=х-х0 является простейшим примером б. м. ф. при х-»хо. Принимая во внимание определение предела функции вточке, определение б. м. ф. можно сформулировать так. Определение. Функция а(х) называется бесконечно малой при х -* хо, если для любого £ > 0 существует такое «5 > 0, что для всех х, удовлетворяющих условию, верно неравенство Наряду с понятием бесконечно малой функции при х хо вводится понятие бесконечно малой функции при Определение. Функция а(х) называется бесконечно малой при х -» оо, если то функция а(х) называется бесконечно малой соответственно при или при Например, функция является бесконечно малой при х -» оо, поскольку lim j = 0. Функция а(х) = е~х естьбесконечно малая функция при х-* +оо, так как В дальнейшем все понятия и теоремы, связанные с пределами функций, мы будем, как правило, рассматривать только применительнок случаю предела функции в точке, предоставляя читателю самому сформулировать соответствующие понятия и доказать аналогичные теоремы дня случаев, когда Свойства бесконечно малых функций Теорема 5. Если а{х) и Р(х) - б. м. ф. при х -* хо, то их сумма а(х) + Р(х) есть также б.м. ф. при х -» хо. 4 Возьмем любое е > 0. Так как а(х) - б.м.ф. при х -* хо, то найдется «51 > 0 такое, что для всех х Ф хо, удовлетворяющих условию верно неравенство По условию Р{х) также б.м.ф. при х хо, поэтому найдется такое, что для всех х Ф хо, удовлетворяющих условию верно неравенство Положим 6 = min{«5j, 62}. Тогда для всех х Ф хо, удовлетворяющих условию будут одновременно верны неравенства (1) и (2). Поэтому Это означает, что сумма а(х) +/3(х) есть б.м.ф. при х xq. Замечание. Теорема остается справедливой для суммы любого конечного числа функций, б. м. при х zo. Теорема б (произведение б. м. ф. на ограниченную функцию). Если функция а(х) является б. м. ф. при х -* х0, а функция f(x) ограничена в окрестности точки Хо, то произведение а(х)/(х) есть б. м. ф. при х -» х0. По условию функция /(х) ограничена в окрестности точки х0. Это означает, что существуют такие числа 0 и М > 0, что Возьмем любое е > 0. Так как по условию, то найдется такое 62 > 0, что для всех х ф х0, удовлетворяющих условию |х - xol , будет верно неравенство Положим я всех х ф х0, удовлетворяющих условию |х - х0|, будут одновременно верны неравенства Поэтому Это означает, что произведение а(х)/(х) есть б. м.ф. при Пример. Функцию у = xsin - (рис.12) можно рассматривать как произведение функций a(ar) = х и f(x) = sin j. Функция а(аг) есть б. м. ф. при х - 0, а функция f.
Пример 2. Найти область определения функции .
Решение. Область определения, очевидно, состоит из двух бесконечных интервалов , так как выражение не и имеет смысла при а при всех остальных значениях определено.
Читатель теперь сам легко увидит, что для функции областью определения будет вся числовая ось, а для функции - бесконечный интервал
Следует обратить внимание на то, что нельзя отождествлять функцию и формулу, с помощью которой задается эта функция. Посредством одной и той же формулы можно задать различные функции. В самом деле, в п. 2 мы рассматривали функцию с областью определения в п. 3 строился график для функции с областью определения . И, наконец, только что мы рассмотрели функцию, заданную только формулой без каких-либо дополнительных условий. Областью определения этой функции является вся числовая ось. Эти три функции различны между собой, так как они имеют разные области определения. Но задаются они с помощью одной и той же формулы.
Возможен и обратный случай, когда одна функция на различных участках ее области определения задается различными формулами. Например, рассмотрим функцию у, определенную для всех неотрицательных значений следующим образом: при при т. е.
Эта функция определена двумя аналитическими выражениями, действующими на различных участках ее области определения. График данной функции изображен на рис. 18.
Табличный способ задания функции. При табличном задании функции составляется таблица, в которой указывается ряд значений аргумента и соответствующих значений функции. Широко известны логарифмические таблицы, таблицы значений тригонометрических функций и многие другие. Довольно часто приходится пользоваться таблицами значений функций, полученных непосредственно из опыта. В нижеследующей таблице приведены полученные из опыта удельные сопротивления меди (в см - сантиметрах) при различных температурах t (в градусах):
Графический способ задания функции. При графическом задании дается график функции, и ее значения, соответствующие тем или иным значениям аргумента, непосредственно находятся из этого графика. Во многих случаях такие графики чертятся с помощью самопишущих приборов.
Одними из классических определений понятия «функция» считаются определения на базе соответствий. Приведем ряд таких определений.
Определение 1
Зависимость, при которой каждому значению независимой переменной соответствует единственное значение зависимой переменной, называется функцией .
Определение 2
Пусть даны два непустых множества $X$ и $Y$. Соответствие $f$, которое каждому $x\in X$ сопоставляет один и только один $y\in Y$ Называется функцией ($f:X → Y$).
Определение 3
Пусть $M$ и $N$ - два произвольных числовых множества. Говорят, что на $M$ определена функция $f$, принимающая значения из $N$, если каждому элементу $x\in X$ поставлен в соответствие один и только один элемент из $N$.
Следующее определение дается через понятие переменной величины. Переменной величиной называется величина, которая в данном исследовании принимает различные числовые значения.
Определение 4
Пусть $M$ - множество значений переменной величины $x$. Тогда, сели каждому значению $x\in M$ соответствует одно определенное значение другой переменной величины $y$ есть функция величины $x$, определенной на множестве $M$.
Определение 5
Пусть $X$ и $Y$ - некоторые числовые множества. Функцией называется множество $f$ упорядоченных пар чисел $(x,\ y)$ таких, что $x\in X$, $y\in Y$ и каждое $x$ входит в одну и только одну пару этого множества, а каждое $y$ входит, по крайней мере, в одну пару .
Определение 6
Всякое множество $f=\{\left(x,\ y\right)\}$ упорядоченных пар $\left(x,\ y\right)$ таких, что для любых пар $\left(x",\ y"\right)\in f$ и $\left(x"",\ y""\right)\in f$ из условия $y"≠ y""$ следует, что $x"≠x""$ называется функцией или отображением .
Определение 7
Функция $f:X → Y$ - это множество $f$ упорядоченных пар $\left(x,\ y\right)\in X\times Y$, таких, что для любого элемента $x\in X$ существует единственный элемент $y\in Y$ такой, что $\left(x,\ y\right)\in f$, то есть функция -- кортеж объектов $\left(f,\ X,\ Y\right)$.
В этих определениях
$x$ - независимая переменная.
$y$ - зависимая переменная.
Все возможные значения переменной $x$ называется областью определения функции , а все возможные значения переменной $y$ называется областью значения функции.
Аналитический способ задания функции
Для этого способа нам понадобится понятие аналитического выражения.
Определение 8
Аналитическим выражением называется произведение всех возможных математических операций над какими-либо числами и переменными.
Аналитическим способом задания функции и является её задание с помощью аналитического выражения.
Пример 1
$y=x^2+7x-3$, $y=\frac{x+5}{x+2}$, $y=cos5x$.
Плюсы:
- С помощью формул мы можем определить значение функции для любого определенного значения переменной $x$;
- Функции, заданные таким способом можно изучать с помощью аппарата математического анализа.
Минусы:
- Малая наглядность.
- Иногда приходится производить очень громоздкие вычисления.
Табличный способ задания функции
Данный способ задания состоит в том, что для нескольких значений независимой переменной выписываются значения зависимой переменной. Все это вносится в таблицу.
Пример 2
Рисунок 1.
Плюс: Для любого значения независимой переменной $x$, которая внесена в таблицу, сразу узнается соответствующее значение функции $y$.
Минусы:
- Чаще всего, нет полного задания функции;
- Малая наглядность.