Ядерная энергетика Курсовой проект по дисциплине "Детали машин" Сопромат Лекции по физике Начертательная геометрия Черчение Контрольная по математике Дизайн квартир Арт-дизайн Русская культура Мировая культура

Математический анализ

Функции

Понятие функции

Понятие функции является одним из самых важных понятий в математике и её приложениях. В курсе математического анализа будут сначала изучаться только действительные функции одного действительного аргумента, т. е. функции .

Пусть заданы числовые множества X, Y и некоторое правило f, ставящее в соответствие каждому элементу множества X единственный элемент множества Y. В таком случае говорят, что на множестве X задана функция f, множеством значений которой является множество Y.

Над функциями можно производить различные арифметические операции. Если даны две числовые функции f и g, определённые на одном и том же множестве X, а с – некоторое число (или, как часто говорят, константа), то функция cf определяется как функция, принимающая в каждой точке xÎX значение сf(х); функция f+g – как функция, принимающая в каждой точке xÎX значение f(х) + g(х); fg – как функция, в каждой точке принимающая значение f(х)g(х); наконец, f/g – как функция, в каждой точке xÎX равная f(х)/g(х) (при g(х) ¹ 0).

Числовая функция f, определённая на множестве X, называется ограниченной сверху (снизу), если множество её значений ограничено сверху (снизу). Иначе говоря, функция X ограничена сверху (снизу), если существует такая постоянная М, что для каждого xÎX выполняется неравенство f(х)£М (соответственно f(х)³М).

Рассмотрим различные способы задания функций. Прежде всего, функции могут задаваться с помощью формул: аналитический способ. Для этого используется некоторый запас изученных и специально обозначенных функций, алгебраические действия и предельный переход.

Элементарные функции постоянная у = с, с – константа, степенная у = xp, показательная у = aх (а>0), логарифмическая у = logaх (а>0, a¹1), тригонометрические у = sin х, у = cos х, у = tg х, у = ctg х и обратные тригонометрические у = arcsin х,
у = arccos х, у = arctg х, у = arcctg х, а также гиперболические:

Дробно-рациональные функции (рациональные дроби). К этому классу относятся функции, которые могут быть заданы в виде , где Р(х) и Q(x) – многочлены, причём Q(x) – ненулевой многочлен.

Предел функции по Гейне Первое определение предела функции

Предел функции по подмножеству При рассмотрении пределов функции часто приходится иметь дело с пределами сужений функций на том или ином множестве, т. е. с пределами функций, получающихся из данных функций, рассмотрением их не на всём множестве, на котором они заданы, а на каком-то содержащемся в нём.

Непрерывные функции Критерий существования предела функции в точке

Дадим теперь определение функции, непрерывной в данной точке.

Пример. Все точки множества натуральных чисел ¥ изолированы, а множество ¤ всех рациональных чисел не имеет изолированных точек.

Предел функции по Коши Второе определение предела функции Существует другое определение предела функции, не использующее понятие предела последовательности, а формулируемое в терминах окрестностей и называемое определением предела функции по Коши.

Эквивалентность двух определений предела функции Перейдём теперь к сравнению определений предела функции по Гейне и по Коши.

Односторонние пределы и односторонняя непрерывность При изучении функций иногда оказывается полезным рассмотреть пределы их сужений на множествах, лежащих по одну сторону от точки, в которой рассматривается предел. Такие пределы называются односторонними пределами.

Понятие предела слева (справа) при x®x0, как и вообще понятие предела в точке, содержательно только тогда, когда точка x0 является точкой прикосновения множества, по которому берётся предел.

Свойства пределов функции Пусть XÌ¡, x0 – точка прикосновения множества X. Справедливы следующие свойства пределов функций.

Свойство. Если функции  и  таковы, что , то найдётся проколотая окрестность точки x0, на пересечении которой с множеством X выполнено неравенство f(x) < g(x).

Определение бесконечно малых и бесконечно больших функций Все рассматриваемые в этом и следующем пункте функции будем предполагать определёнными на множестве XÌ¡ и рассматривать их конечные и бесконечные пределы при стремлении аргумента к конечной или к бесконечно удалённой точке x0.

Взаимосвязь между бесконечно малыми и бесконечно большими функциями

Классификация бесконечно малых функций Во многих случаях представляет интерес сравнение бесконечно малых между собой по характеру их приближения к нулю. Рассмотрим две бесконечно малые a(x) и b(x) при x®x0 и предположим, что b(x) не обращается в ноль в некоторой проколотой окрестности точки x0. Будем сравнивать эти бесконечно малые, изучая поведение их отношения при x®x0.

Классификация бесконечно больших функций Для бесконечно больших величин может быть развита та же классификация.

Точки непрерывности и точки разрыва функции

Точки разрыва функции и их классификация Пусть функция f определена в некоторой окрестности точки x0, кроме, быть может, самой этой точки. Точка x0 называется точкой разрыва функции f, если функция f не определена в точке x0 или если она определена в этой точке, но не является в ней непрерывной.

Критерий существования предела функции Существование предела монотонной функции Вопрос о существовании предела функции особенно просто решается для функций частного типа, представляющих обобщение понятия монотонной последовательности.

Критерий Коши существования предела функции В настоящем пункте по аналогии со случаем последовательностей будет получено необходимое и достаточное условие того, что функция имеет конечный предел в данной точке x0.

Предел и непрерывность композиции функции Рассмотрим вопрос о существовании конечных и бесконечных пределов композиции функций, каждая из которых имеет соответствующий предел.

Можно показать, что все рассмотренные ранее элементарные функции и их суперпозиции непрерывны на области их определения.

Свойства функций, непрерывность на отрезке

Предел всякой подпоследовательности последовательности, имеющей конечный или бесконечный предел, равен пределу всей последовательности

Промежуточные значения непрерывных на отрезке функций Теорема (теорема Больцано–Коши).

Непрерывность на отрезке Функция f, определённая на числовом множестве X, называется строго возрастающей (строго убывающей), если для любых двух чисел x1ÎX и x2ÎX таких, что x1<x2, выполняется неравенство f(x1)<f(x2) (соответственно f(x1)>f(x2)). Функция, строго возрастающая или строго убывающая, называется строго монотонной.

В силу леммы 6, функция  однозначная и строго возрастает на отрезке

Равномерная непрерывность

Определение производной функции

Если для некоторого значения x0 существуют пределы , или , или , то говорят, что при x=x0 существует бесконечная производная или, соответственно, бесконечная производная определённого знака, равная +¥ или –¥.

Вычисление производной от функции называется дифференцированием.

Примеры. Вычислить производную функции. Связь между дифференцируемостью и существованием производной функции Выясним теперь связь между дифференцируемостью функции в точке и существованием производной функции в той же точке.

Связь между дифференцируемостью и непрерывностью функции в точке

Геометрический смысл производной и дифференциала Понятия производной и дифференциала функции в данной точке связаны с понятием касательной к графику функции в этой точке. Чтобы выяснить эту связь, определим, прежде всего, касательную.

Предельное положение секущей M0M при Dx®0, или, что то же, при M®M0, называется касательной к графику функции f в точке M0.

Физический смысл производной и дифференциала

Функция f, ограниченная на множестве X как сверху, так и снизу, называется ограниченной на этом множестве.

Верхняя (нижняя) грань множества значений Y числовой функции у = f(х), определённой на множестве X, называется верхней (нижней) гранью функции f и обозначается

  .

Будем говорить, что числовая функция f, определённая на множестве X, принимает в точке x0ÎX наибольшее значение (наименьшее), если f(х) £ f(х0) (соответственно f(х)³f(х0)) для каждой точки xÎX. В этом случае будем писать  или  (соответственно  или ).

Наибольшее (наименьшее) значение функции называется также ее максимальным (минимальным) значением. Максимальные и минимальные значения называются экстремальными.

Очевидно, что если функция f принимает в точке x0 наибольшее (наименьшее) значение, то   (соответственно ).


На главную