1.4.6. Примеры решения задач по теме «Непрерывность функции»
Задача 1.
При каком значении числа А функция
Будет непрерывной?
Указание
Функция может иметь разрыв только в точке Х = 5, поэтому А следует выбрать так, чтобы в этой точке выполнялось равенство
Решение
Областью определения функции является все множество действительных чисел, причем по обе стороны точки Х = 5 функция является элементарной, то есть непрерывной. Для обеспечения непрерывности в точке Х = 5 поставим условие
Ответ: 5.
Задача 2.
Каким числом можно доопределить функцию
При Х = 0, чтобы она стала непрерывной в этой точке?
Указание
Подобная операция возможна в том случае, если точка разрыва является устранимой особенностью, то есть существует конечный предел функции в этой точке.
Решение
Найдем предел данной функции в точке Х = 0:
Следовательно, если принять
![](http://xn----8sbanwvcjzh9e.xn--p1ai/wp-content/plugins/a3-lazy-load/assets/images/lazy_placeholder.gif)
Ответ: 3.
Задача 3.
Каким числом можно доопределить функцию
При Х = 0, чтобы она стала непрерывной в этой точке?
Указание
Вычисляя предел функции в точке Х = 0, воспользуйтесь тем, что второй множитель – ограниченная функция, и примените свойства бесконечно малых.
Решение
Ограниченная функция. Как известно, произведение бесконечно малой функции на ограниченную есть бесконечно малая, поэтому
То есть предел существует и конечен. Поэтому можно доопределить функцию так: F (0) = 0.
Ответ: F (0) = 0.
Задача 4.
Каким числом можно доопределить функцию
При Х = 0, чтобы она стала непрерывной в этой точке?
Указание
Подобная операция возможна в том случае, если точка разрыва является устранимой особенностью, то есть существует конечный предел функции в этой точке.
Решение
Найдем односторонние пределы данной функции в точке Х = 0:
Следовательно, предел данной функции в точке Х = 0 в обычном смысле не существует, поэтому добиться ее непрерывности в этой точке невозможно.
Ответ: это невозможно.
Задача 5.
Найти количество точек разрыва функции
Исследовать характер этих точек.
Указание
На область определения накладываются два ограничения: логарифмируемое выражение должно быть положительным, а знаменатель дроби – не равным нулю.
Решение
Данная функция не существует при трех значениях аргумента: Х = 0 и Х = +1 (в первом случае знаменатель не существует, во втором он равен нулю). Каждая из найденных точек является внутренней точкой области определения и, следовательно, точкой разрыва.
Исследуем характер точек разрыва:
Следовательно, Х = 0 – устранимая особенность.
Следовательно,
И Х = +1 – точки разрыва 2-го рода.
Ответ: Х = 0 – устранимая особенность, Х = +1 – точки разрыва 2-го рода.
Задача 6.
Выяснить, какие из функций
Имеют точки разрыва 1-го рода.
Указание
В точке разрыва 1-го рода существуют конечные односторонние пределы функции, но они не равны между собой.
Решение
Найдем точки разрыва каждой функции и исследуем их характер.
1) Функция
Не определена при Х = 0.
Следовательно, единственная точка разрыва этой функции – это точка разрыва 2-го рода.
2) Функция
Не определена при Х = 0 (заметим, что знаменатель основной дроби не равен нулю ни при каком значении Х).
Найдем односторонние пределы F (X) в точке Х = 0:
Следовательно, Х = 0 – точка разрыва 1-го рода.
3) Функция
Не определена при Х = 5.
Следовательно, точка Х = 5 – точка разрыва 2-го рода.
4) Функция
Не определена при Х = -0,5. При этом
Таким образом, односторонние пределы в точке Х = -0,5 равны соответственно 1 и -1, то есть эта точка – точка разрыва 1-го рода.
Ответ: 2,4.
< Предыдущая | Следующая > |
---|
Непрерывные функции (Лекция №4)
СВОЙСТВА ФУНКЦИЙ, НЕПРЕРЫВНЫХ НА ОТРЕЗКЕ
Рассмотрим некоторые свойства функций непрерывных на отрезке. Эти свойства приведём без доказательства.
Функцию y = f(x) называют непрерывной на отрезке [a, b], если она непрерывна во всех внутренних точках этого отрезка, а на его концах, т.е. в точках a и b, непрерывна соответственно справа и слева.
Теорема 1. Функция, непрерывная на отрезке [a, b], хотя бы в одной точке этого отрезка принимает наибольшее значение и хотя бы в одной – наименьшее.
Теорема утверждает, что если
функция y = f(x) непрерывна
на отрезке [a, b], то найдётся хотя бы одна
точка x1 Î [a, b] такая, что значение
функции f(x) в
этой точке будет самым большим из всех ее значений на этом отрезке: f(x1) ≥ f(x).
Ясно, что таких точек может быть и несколько, например, на рисунке показано, что функция f(x) принимает наименьшее значение в двух точках x2 и x2‘.
Замечание. Утверждение теоремы можно стать неверным, если рассмотреть значение функции на интервале (a, b). Действительно, если рассмотреть функцию y = x на (0, 2), то она непрерывна на этом интервале, но не достигает в нём ни наибольшего, ни наименьшего значений: она достигает этих значений на концах интервала, но концы не принадлежат нашей области.
Также теорема перестаёт быть верной для разрывных функций. Приведите пример.
Следствие. Если функция
Теорема 2. Пусть функция y = f(x) непрерывна на отрезке [a, b] и на концах этого отрезка принимает значения разных знаков, тогда внутри отрезка [a, b] найдется, по крайней мере, одна точка x = C, в которой функция обращается в ноль: f(C) = 0, где a < C< b
Эта теорема имеет простой геометрический смысл: если точки графика непрерывной функции y = f(x), соответствующие концам отрезка [a, b] лежат по разные стороны от оси Ox, то этот график хотя бы в одной точке отрезка пересекает ось Ox. Разрывные функции этим свойством могут не обладать.
Эта теорема допускает следующее обобщение.
Теорема 3 (теорема о промежуточных значениях).
Пусть функцияy = f(x) непрерывна на отрезке [a, b] и f(a) = A, f(b) = B. Тогда для любого числа C, заключённого между A и B, найдётся внутри этого отрезка такая точка CÎ [a, b], что f(c) = C.![](/800/600/https/fsd.multiurok.ru/html/2018/02/13/s_5a830776175c9/img27.jpg)
Эта теорема геометрически очевидна. Рассмотрим график функции y = f(x). Пусть f(a) = A, f(b) = B. Тогда любая прямая y = C, где C – любое число, заключённое между A и B, пересечёт график функции, по крайней мере, в одной точке. Абсцисса точки пересечения и будет тем значением x = C, при котором f(c) = C.
Таким образом, непрерывная функция, переходя от одного своего значения к другому, обязательно проходит через все промежуточные значения. В частности:
Следствие. Если функция y = f(x) непрерывна на некотором интервале и принимает наибольшее и наименьшее значения, то на этом интервале она принимает, по крайней мере, один раз любое значение, заключённое между её наименьшим и наибольшим значениями.
ПРОИЗВОДНАЯ И ЕЕ ПРИЛОЖЕНИЯ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОИЗВОДНОЙ
Пусть имеем
некоторую функцию y=f(x),
определенную на некотором промежутке. Для каждого значения аргумента xиз этого промежутка функция y=f(x) имеет
определенное значение.
Рассмотрим два значения аргумента: исходное x0 и новое x.
Разность x– x0 называется приращением аргумента x в точке x0 и обозначается Δx. Таким образом, Δx = x – x0 (приращение аргумента может быть как положительным, так и отрицательным). Из этого равенства следует, что x=x0+Δx, т.е. первоначальное значение переменной получило некоторое приращение. Тогда, если в точке x0 значение функции было f(x0), то в новой точке x функция будет принимать значение f(x) = f(x0 +Δx).
Разность y – y0 = f(x) – f(x0) называется
приращением функции y = f(x) в
точке x0 и обозначается символом Δy. Таким образом,
Δy = f(x) – f(x0) = f(x0 +Δx) — f(x0). | (1) |
Обычно исходное значение аргумента x0 считается фиксированным, а новое значение x – переменным. Тогда y0 = f(x0) оказывается постоянной, а y = f(x) – переменной. Приращения Δy и Δxтакже будут переменными и формула (1) показывает, что Dy является функцией переменной Δx.
Составим отношение приращения функции к приращению аргумента
Найдем предел этого отношения при Δx→0. Если этот предел существует, то его называют производной данной функции f(x) в точке x0 и обозначают f ‘(x0). Итак,
.
Производной данной функции y = f(x) в точке x0 называется предел отношения приращения функции Δy к приращению аргумента Δx, когда последнее произвольным образом стремится к нулю.
Заметим, что для одной и той же функции производная в различных точках xможет принимать различные значения, т.е. производную можно рассматривать как функцию аргумента x. Эта функция обозначается f ‘(x)
Производная обозначается символами f ‘(x),y ‘, . Конкретное значение производной при x = aобозначается f ‘(a) или y ‘|x=a.
Операция нахождения производной от функции f(x) называется дифференцированием этой функции.
Для непосредственного нахождения производной по определению можно применить следующее практическое правило:
- Придать x приращение Δx и найти наращенное значение функции f(x + Δx).
- Найти приращение функции Δy = f(x + Δx) – f(x).
- Составить отношение и найти предел этого отношения при Δx∞0.
Примеры.
- Найти производную функции y = x2
а) в произвольной точке;
б) в точке x= 2.
а)
- f(x + Δx) = (x + Δx)2;
- Δy = (x + Δx)2 – x2=2xΔx– x2;
- .
б) f ‘(2) = 4
- Используя определение найти производную функции в произвольной точке.
- .
МЕХАНИЧЕСКИЙ СМЫСЛ ПРОИЗВОДНОЙ
Из физики известно, что закон равномерного движения имеет вид s = v·t, где s – путь, пройденный к моменту времени t, v– скорость равномерного движения.
Однако, т.к.
большинство движений происходящих в природе, неравномерно, то в общем случае
скорость, а, следовательно, и расстояние sбудет зависеть от времени t,
т. е. будет функцией времени.
Итак, пусть материальная точка движется по прямой в одном направлении по закону s=s(t).
Отметим некоторый момент времени t0. К этому моменту точка прошла путь s=s(t0). Определим скорость vматериальной точки в момент времени t0.
Для этого рассмотрим какой-нибудь другой момент времени t0+Δt. Ему соответствует пройденный путь s=s(t0+Δt). Тогда за промежуток времени Δt точка прошла путь Δs=s(t0+Δt)–s(t).
Рассмотрим
отношение . Оно называется средней скоростью в промежутке времени Δt. Средняя скорость не может
точно охарактеризовать быстроту перемещения точки в момент t0 (т.к. движение
неравномерно). Для того, чтобы точнее выразить эту
истинную скорость с помощью средней скорости, нужно взять меньший промежуток
времени Δt.
Итак, скоростью движения в данный момент времени t0 (мгновенной скоростью) называется предел средней скорости в промежутке от t0 до t0+Δt, когда Δt→0:
,
т.е. скорость неравномерного движения это производная от пройденного пути по времени.
ГЕОМЕТРИЧЕСКИЙ СМЫСЛ ПРОИЗВОДНОЙ
Введем сначала определение касательной к кривой в данной точке.
Пусть имеем
кривую и на ней фиксированную точку М0 (см. рисунок).Рассмотрим другую точку М этой кривой и проведем секущую M0M. Если точка М начинает перемещаться по кривой, а
точка М0
остается неподвижной, то секущая меняет свое положение. Если при неограниченном
приближении точки М по кривой к точке
М0
с любой стороны секущая стремится занять положение определенной прямой М0Т, то прямая М0Т называется касательной к
кривой в данной точке М0.
Т.о., касательной к кривой в данной точке М0 называется предельное положение секущей М0М, когда точка М стремится вдоль кривой к точке М0.
Рассмотрим теперь непрерывную функцию y=f(x) и
соответствующую этой функции кривую. При некотором значении х0
функция принимает значение y0=f(x0). Этим значениям x0 и y0 на кривой соответствует
точка М0(x0; y0). Дадим аргументу x0 приращение Δх.
Новому значению аргумента соответствует наращенное значение функции y0+Δ y=f(x0–Δx).
Получаем точку М(x0+Δx; y0+Δy).
Проведем секущую М0М и
обозначим через φ угол, образованный секущей
с положительным направлением оси Ox. Составим
отношение и заметим, что .
Если теперь Δx→0, то в силу непрерывности функции Δу→0, и поэтому точка М, перемещаясь по кривой, неограниченно приближается к точке М0. Тогда секущая М0М будет стремиться занять положение касательной к кривой в точке М0, а угол φ→α при Δx→0, где через α обозначили угол между касательной и положительным направлением оси Ox. Поскольку функция tg φ непрерывно зависит от φ при φ≠π/2 то при φ→α tg φ → tg α и, следовательно, угловой коэффициент касательной будет:
т.е. f ‘(x) = tg α .
Т.о.,
геометрически у ‘(x0) представляет угловой
коэффициент касательной к графику этой функции в точке x0, т.е. при данном значении аргумента x, производная равна
тангенсуугла, образованного касательной
к графику функции f(x) в
соответствующей точке М0
(x; y) с
положительным направлением оси Ox.
Пример. Найти угловой коэффициент касательной к кривой у = х2 в точке М(-1; 1).
Ранее мы уже видели, что (x2)’ = 2х. Но угловой коэффициент касательной к кривой есть tg α = y‘|x=-1 = – 2.
ДИФФЕРЕНЦИРУЕМОСТЬ ФУНКЦИЙ. НЕПРЕРЫВНОСТЬ ДИФФЕРЕНЦИРУЕМОЙ ФУНКЦИИ
Функция y=f(x) называется дифференцируемой в некоторой точке x0, если она имеет в этой точке определенную производную, т.е. если предел отношения существует и конечен.
Если функция дифференцируема в каждой точке некоторого отрезка [а; b] или интервала (а; b), то говорят, что она дифференцируема на отрезке [а; b] или соответственно в интервале (а; b).
Справедлива следующая теорема, устанавливающая связь между дифференцируемыми и непрерывными функциями.
Теорема. Если функция y=f(x) дифференцируема в некоторой точке x0,
то она в этой точке непрерывна.
Таким образом,из дифференцируемости функции следует ее непрерывность.
Доказательство. Если , то
,
где α бесконечно малая величина, т.е. величина, стремящаяся к нулю при Δx→0. Но тогда
Δy=f ‘(x0) Δx+αΔx=> Δy→0 при Δx→0, т.е f(x) – f(x0)→0 при x→x0, а это и означает, что функция f(x) непрерывна в точке x0. Что и требовалось доказать.
Таким образом, в точках разрыва функция не может иметь производной. Обратное утверждение неверно: существуют непрерывные функции, которые в некоторых точках не являются дифференцируемыми (т.е. не имеют в этих точках производной).
Рассмотрим на рисунке точки а, b, c.
В точке a при Δx→0 отношение не имеет предела (т.к.
односторонние пределы различны при Δx→0–0 и Δx→0+0).
В точке A графика нет определенной
касательной, но есть две различные односторонние касательные с угловыми коэффициентами
к1
и к2. Такой тип точек
называют угловыми точками.
В точке b при Δx→0 отношение является знакопостоянной бесконечно большой величиной . Функция имеет бесконечную производную. В этой точке график имеет вертикальную касательную. Тип точки – «точка перегиба» cвертикальной касательной.
В точке c односторонние производные являются бесконечно большими величинами разных знаков. В этой точке график имеет две слившиесявертикальные касательные. Тип – «точка возврата» с вертикальной касательной – частный случай угловой точки.
Примеры.
- Рассмотрим функцию y=|x|.Эта функция непрерывна в точке x = 0, т.к. .
Покажем, что она не имеет производной в этой точке.
f(0+Δx) = f(Δx) = |Δx|.
Следовательно, Δy = f(Δx) – f(0) = |Δx|
Но тогда при Δx< 0 (т.е. при Δx стремящемся к 0 слева)
А при Δx > 0
Т.о., отношение при Δx→ 0 справа и слева имеет различные пределы, а это значит, что отношение предела не имеет, т.е. производная функции y=|x| в точке x= 0 не существует. Геометрически это значит, что в точке x= 0 данная «кривая» не имеет определенной касательной (в этой точке их две).
- Функция определена и непрерывна на всей
числовой прямой. Выясним, имеет ли эта функция производную при x= 0.
Следовательно, рассматриваемая функция не дифференцируема в точке x= 0. Касательная к кривой в этой точке образует с осью абсцисс угол p/2, т.е. совпадает с осью Oy.
2.3: Пределы и непрерывные функции
- Последнее обновление
- Сохранить как PDF
- ID Page
- 6476
- Jeremy Orloff
- Массачусетского технологического института через MIT OpenCourse
Определение: Предел
Если \(f(z)\) определено на проколотом диске вокруг \(z_0\), то мы говорим
\[\lim_{z \to z_0} f(z) = w_0 \nonumber \]
если \(f(z)\) идет к \(w_0\) независимо от того, в каком направлении \(z\) приближается к \(z_0\).
На рисунке ниже показаны несколько последовательностей точек, приближающихся к \(z_0\). Если \(\lim_{z \to z_0} f(z) = w_0\), то \(f(z)\) должно перейти в \(w_0\) по каждой из этих последовательностей.
Рисунок \(\PageIndex{1}\): Последовательности, идущие к \(z_0\), сопоставляются с последовательностями, идущими к \(w_0\). (CC BY-NC; Юмит Кая) 93 + 1} = 6/9. \nonumber \]Вот пример, когда предел не существует, потому что разные последовательности дают разные пределы.
Пример \(\PageIndex{2}\): Без ограничений
Показать, что
\[\lim_{z \to 0} \dfrac{z}{\overline{z}} = \lim_{z \to 0 } \dfrac{x + iy}{x — iy} \nonumber \]
не существует.
Решение
На действительной оси имеем
\[\dfrac{z}{\overline{z}} = \dfrac{x}{x} = 1, \nonumber \]
поэтому предел как \ (z \to 0\) вдоль действительной оси равно 1. Напротив, на мнимой оси мы имеем
\[\dfrac{z}{\overline{z}} = \dfrac{iy}{-iy} = -1, \nonumber \]
поэтому предел как \(z \to 0\) вдоль мнимая ось равна -1. Поскольку два предела не согласуются, предел как \(z \to 0\) не существует!
Свойства пределов
У нас есть обычные свойства пределов. Предположим, что
\[\lim_{z \to z_0} f(z) = w_1 \text{ и } \lim_{z \to z_0} g(z) = w_2 \nonumber \]
, затем
- \( \lim_{z \to z_0} f(z) + g(z) = w_1 + w_2\)
- \(\lim_{z \to z_0} f(z) g(z) = w_1 \cdot w_2\).
- Если \(w_2 \ne 0\), то \(\lim_{z \to z_0} f(z)/g(z) = w_1 /w_2\)
- Если \(h(z)\) непрерывна и определена в окрестности \(w_1\), то \(\lim_{z \to z_0} h(f(z)) = h(w_1)\) (Примечание : мы дадим официальное определение непрерывности в следующем разделе.)
Мы не будем приводить доказательство этих свойств. В качестве задачи вы можете попробовать дать его, используя формальное определение пределов, данное в приложении.
Мы можем переформулировать определение предела в терминах функций от \((x, y)\). Для этого запишем
\[f(z) = f(x + iy) = u(x, y) + iv (x, y) \nonumber \]
и сократим
\[P = ( х, у), P_0 = (x_0, y_0), w_0 = u_0 + iv_0. \nonumber \]
Тогда
\[\lim_{z \to z_0} f(z) = w_0 \text{ iff } \begin{cases} \lim_{P \to P_0} u(x, y) = u_0 \\ \lim_{P \to P_0} v(x, y) = v_0 \end{cases} \nonumber \]
Примечание. Термин «iff» означает «если и только если», что является другим способом сказать «эквивалентно».
Непрерывные функции
Функция считается непрерывной , если она не имеет внезапных скачков. В этом суть следующего определения.
Определение: непрерывная функция
Если функция \(f(z)\) определена на открытом диске вокруг \(z_0\) и \(\lim_{z \to z_0} f(z) = f(z_0 )\), то мы говорим, что \(f\) является непрерывным в \(z_0\). Если \(f\) определено на открытой области \(A\), то фраза «\(f\) непрерывна на \(A\)’ означает, что \(f\) непрерывно в каждой точке \( А\). 9х \ грех (у). \nonumber \]
Итак, как действительная, так и мнимая части явно непрерывны как функция (\(x, y\)).
(iii) Главная ветвь \(\text{Arg} (z)\) непрерывна на плоскости минус неположительная вещественная ось. Причина: это понятно, и именно по этой причине мы определили переходы для arg. Мы должны удалить отрицательную вещественную ось, потому что \(\text{Arg} (z)\) прыгает на \(2 \pi\), когда вы ее пересекаете. Мы также должны удалить \(z = 0\), потому что \(\text{Arg} (z)\) даже не определено в 0,
(iv) Главная ветвь функции \(\text{log} (z)\) непрерывна на плоскости за вычетом неположительной действительной оси. Причина: основная ветка журнала имеет
\[\text{log} (z) = \text{log} (r) + i \text{Arg} (z). \nonumber \]
Итак, непрерывность \(\text{log} (z)\) следует из непрерывности \(\text{Arg} (z)\).
Свойства непрерывных функций
Поскольку непрерывность определяется в терминах пределов, мы имеем следующие свойства непрерывных функций.
Предположим, что \(f(z)\) и \(g(z)\) непрерывны в области \(A\). Тогда
- \(f(z) + g(z)\) непрерывно на \(A\).
- \(f(z)g(z)\) непрерывно на \(A\).
- \(f(z)/g(z)\) непрерывна на \(A\), за исключением (возможно) точек, где \(g(z) = 0\).
- Если \(h\) непрерывно на \(f(A)\), то \(h(f(z))\) непрерывно на \(A\).
Используя эти свойства, мы можем утверждать непрерывность каждой из следующих функций: 9{-из})/2\)
Эта страница под названием 2.3: Ограничения и непрерывные функции распространяется под лицензией CC BY-NC-SA 4.0 и была создана, изменена и/или курирована Джереми Орлоффом (MIT OpenCourseWare) посредством исходного содержимого, которое было отредактировано в соответствии со стилем и стандарты платформы LibreTexts; подробная история редактирования доступна по запросу.
- Наверх
- Была ли эта статья полезной?
- Тип изделия
- Раздел или Страница
- Автор
- Джереми Орлофф
- Лицензия
- CC BY-NC-SA
- Версия лицензии
- 4,0
- Программа OER или Publisher
- MIT OpenCourseWare
- Показать страницу TOC
- нет
- Теги
- непрерывные функции
- source@https://ocw.
mit.edu/courses/mathematics/18-04-complex-variables-with-applications-spring-2018
7. Непрерывные и прерывистые функции
М. Борна
Этот раздел связан с предыдущим разделом, посвященным домену и диапазону функции. Есть некоторые функции, которые не определены для определенных значений x .
Непрерывные функции
Рассмотрим график f ( x ) = x 3 — 6 x 2 — x 92 — x + 30`, непрерывный граф.
Мы видим, что на кривой нет «пробелов». Любое значение x даст нам соответствующее значение y . Мы могли бы продолжить график в отрицательном и положительном направлениях, и нам никогда не пришлось бы отрывать карандаш от бумаги.
Такие функции называются непрерывными функциями .
Функции с разрывами
Теперь рассмотрим функцию `f(x) = 1/(x-1)`.
Заметим, что кривая не непрерывный в `x = 1`.
12345-1-2-351015-5-10-15xyОткрыть изображение на новой страницеГрафик `y=1/(x-1)`, прерывистый граф.
Мы видим, что мелких изменений в x вблизи `x = 1` дает очень большое изменение значения функция.
Чтобы функция была непрерывной в точке, функция должна существовать в точке и любое небольшое изменение в разрешении x производит лишь небольшое изменение `f(x)`.
92-x)`, разрывная функция.Мы видим, что небольшие изменения в x около 0 (и около 1) производят большие изменения значения функции.
Мы говорим, что функция является прерывистой , когда x = 0 и x = 1.
Для этой функции существует 3 асимптот (линий, к которым кривая приближается, но не касается). Это ось «x», ось «y» и вертикальная линия «x=1» (обозначена пунктирной линией на графике выше). 92-x)` в представлении графика по умолчанию в Scientific Блокнот:
Он показывает нам все вертикальные значения, которые он может (от
чрезвычайно малое отрицательное число в очень большое положительное число)
— но мы не можем видеть никаких деталей (конечно, ни одной из кривых).