Квант

40

И. Габович

Предел функции

Понятие «предел функции» является одним из важнейших в школьном курсе математики. Через него определяются «непрерывность» и «производная».

Основное определение (§ 38 пособия «Алгебра и начала анализа 9») формулируем двумя способами.

Сначала на «арифметическом» языке: число bb называется пределом функции ff при xx, стремящемся к aa, если для любого ε>0\varepsilon > 0 существует такое δ>0\delta > 0, что при всех xx, удовлетворяющих двойному неравенству*)

0<∣x−a∣<δ,0 < |x - a| < \delta,

выполняется неравенство

∣f(x)−b∣<ε.|f(x) - b| < \varepsilon.

Чтобы сформировать определение предела функции на «геометрическом» языке, введем термин, который нет в школьном пособии. Как известно, окрестность точки a∈Ra \in R называется интервал вида ]a−δ;a+δ[]a - \delta; a + \delta[, где δ\delta — произвольное положительное число. Наозем проколотой окрестностью точки a∈Ra \in R ее окрестность, из которого выкинута («выколота») сама точка aa, то есть «разорванное» множество вида ]a−δ;a[U]a;a+δ[]a - \delta; a[U]a; a + \delta[. Теперь определение предела функции может быть сформированно так: число bb называется пределом функции ff при xx, стремящемся к aa, если для любой

∗)∣x−a∣>0  ⟺  x≠a.*) |x - a| > 0 \iff x \neq a.

окрестности BB точки bb найдется такая проколотая окрестность AA точки aa, что f(A)⊂Bf(A) \subset B (рис. 1).

Таким образом, не требуется, чтобы неравенство (2) выполнялось и при x=ax = a. Функция ff в точке aa может быть даже не определена — этоничут не влияет на ее предел при xx, стремящемся к aa. Например, функция x2−9x−3\frac{x^2 - 9}{x - 3} не определена при x=+3x = +3, но ее предел при x→+3x \rightarrow +3 существует.

Более общий пример: функция Δf(x0)Δx\frac{\Delta f(x_0)}{\Delta x} всегда не определена при Δx=0\Delta x = 0, но ее предел при Δx→0\Delta x \rightarrow 0 «часто» существует (он называется произвольной функцией ff в точке x0x_0).

Впрочем, «очень часто» неравенство (2) выполняется и при x=ax = a; если при этом b=f(a)b = f(a), функция ff называется непрерывной в точке aa.

Если утверждение вида

lim⁡x→1f(x)=b\lim_{x \rightarrow 1} f(x) = b

доказывает исход неопределенно из определения, надо для любого ε>0\varepsilon > 0 найти соответствующее δ>0\delta > 0 или, по крайней мере, доказать, что такое δ>0\delta > 0 существует.

Пример 1. Докажем, что

lim⁡x→17(3−2x)=197.\lim_{x \rightarrow \frac{1}{7}} (3 - 2x) = \frac{19}{7}.

Для этих «действующих лиц» (f(x)=3−2x,a=17,b=197)(f(x) = 3 - 2x, a = \frac{1}{7}, b = \frac{19}{7}) неравенство (2) принимает вид

∣3−2x−197∣<ε.|3 - 2x - \frac{19}{7}| < \varepsilon.

Чтобы найти нужное δ\delta, «раскроем» неравенство (4) и построаем

41

ся «обнажить» xx. Неравенство (4) равносильно неравенству

∣−2x+27∣<ε,\left| -2x + \frac{2}{7} \right| < \varepsilon,
−ε<−2x+27<ε,-\varepsilon < -2x + \frac{2}{7} < \varepsilon,
−27−ε<−2x<−27+ε,-\frac{2}{7} - \varepsilon < -2x < -\frac{2}{7} + \varepsilon,
17+ε2>x>17−ε2,\frac{1}{7} + \frac{\varepsilon}{2} > x > \frac{1}{7} - \frac{\varepsilon}{2},
17−ε2<x<17+ε2.\frac{1}{7} - \frac{\varepsilon}{2} < x < \frac{1}{7} + \frac{\varepsilon}{2}.

Теперь «свернем» неравенство (5) и поставляется получить неравенство вида (1):

−ε2<x−17<ε2,-\frac{\varepsilon}{2} < x - \frac{1}{7} < \frac{\varepsilon}{2},
∣x−17∣<ε2.|x - \frac{1}{7}| < \frac{\varepsilon}{2}.

Мы достаточно целли. Таким образом, при δ=ε2\delta = \frac{\varepsilon}{2} из 0<∣x−17∣<δ0 < |x - \frac{1}{7}| < \delta вытекает (4). В данном примере неравенство (2) = (4) верно и при x=ax = a; в качестве δ\delta можно, очевидно, взять любое число из ]0;ε2]] 0; \frac{\varepsilon}{2}].

Впрочем, второе замечание привильно и носит общий характер: если для неокоторого ε0>0\varepsilon_0 > 0 годится неокоторое δ0>0\delta_0 > 0, то есть из 0<∣x−a∣<δ00 < |x - a| < \delta_0 (6)

вытекает

∣f(x)−b∣<ε0,|f(x) - b| < \varepsilon_0,

то для этого ε0>0\varepsilon_0 > 0 годится, разумеется, и любое δ∈]0;δ0[\delta \in ]0; \delta_0[: если 0<∣x−a∣<δ0 < |x - a| < \delta, то из δ<δ0\delta < \delta_0 следует (6), а значит, и (7).

Пример 2. Докажем, что lim⁡x→−25x=−52\lim_{x \to -2} \frac{5}{x} = -\frac{5}{2}.

Неравенство (2) в данном случае имеет вид

∣5x−(−52)∣<ε.\left| \frac{5}{x} - \left( -\frac{5}{2} \right) \right| < \varepsilon.

Пойдем опять по тому же пути. Неравенство (8) равносильно неравенству

∣5x+52∣<ε,\left| \frac{5}{x} + \frac{5}{2} \right| < \varepsilon,
−ε<5x+52<ε,-\varepsilon < \frac{5}{x} + \frac{5}{2} < \varepsilon,
−52−ε<5x<−52+ε.-\frac{5}{2} - \varepsilon < \frac{5}{x} < -\frac{5}{2} + \varepsilon.

Чтобы достичь целли — «обнажить» xx, нам надо почленно разделить 1 на каждую часть двойного неравенства (9); но делать это можно только в том случае, если все части неравенства имеют одинаковый знак, поскольку соответствующее свойство и словых неравенств гласит: если a<ba < b и числа a,ba, b имеют одинаковый знак (короче: ab>0ab > 0), то 1a>1b\frac{1}{a} > \frac{1}{b} (доказите это утверждение!). −52−ε<0-\frac{5}{2} - \varepsilon < 0. Поэтому нам надо, чтобы остальные две части неравенства (9) были отрицательными. Достаточно потребовать −52+ε<0-\frac{5}{2} + \varepsilon < 0 или ε<52\varepsilon < \frac{5}{2}.

Итак, пусть сначала ε<52\varepsilon < \frac{5}{2} (заметьте это место — мы к немного еще вернемся). Тогда все части неравенства (9) отрицательны. Поэтому

1−52−ε>x5>1−52+ε,\frac{1}{-\frac{5}{2} - \varepsilon} > \frac{x}{5} > \frac{1}{-\frac{5}{2} + \varepsilon},
5−52−ε>x>5−52+ε,\frac{5}{-\frac{5}{2} - \varepsilon} > x > \frac{5}{-\frac{5}{2} + \varepsilon},
5−52+ε<x<5−52−ε,\frac{5}{-\frac{5}{2} + \varepsilon} < x < \frac{5}{-\frac{5}{2} - \varepsilon},
10−5+2ε<x<10−5−2ε.\frac{10}{-5 + 2\varepsilon} < x < \frac{10}{-5 - 2\varepsilon}.

xx «обнажили». Теперь нам надо получить из (10) неравенство вида (1):

∣x−(−2)∣<δ,|x - (-2)| < \delta,
−δ<x−(−2)<δ,-\delta < x - (-2) < \delta,
−2−δ<x<−2+δ.-2 - \delta < x < -2 + \delta.

Из (10):

−2+10−5+2ε+2<x<−2+-2 + \frac{10}{-5 + 2\varepsilon} + 2 < x < -2 +
+10−5−2ε+2,+ \frac{10}{-5 - 2\varepsilon} + 2,
−2−4ε5−2ε<x<−2+4ε5+2ε.-2 - \frac{4\varepsilon}{5 - 2\varepsilon} < x < -2 + \frac{4\varepsilon}{5 + 2\varepsilon}.

Пока еще неравенство (12) не вплоне имеет вид (11). При ε<52\varepsilon < \frac{5}{2}

4ε5−2ε>4ε5+2ε.\frac{4\varepsilon}{5 - 2\varepsilon} > \frac{4\varepsilon}{5 + 2\varepsilon}.

42

Значит,

−2−4ε5−2ε<−2−4ε5+2ε.(13)-2 - \frac{4\varepsilon}{5-2\varepsilon} < -2 - \frac{4\varepsilon}{5+2\varepsilon}. \tag{13}

«Огрубим» неравенство (12):

−2−4ε5+2ε<x<−2+4ε5+2ε.(14)-2 - \frac{4\varepsilon}{5+2\varepsilon} < x < -2 + \frac{4\varepsilon}{5+2\varepsilon}. \tag{14}

ИЗ (13) вытекает, что если xx удовлетворяет неравенству (14), то он удовлетворяет и неравенству (12) (см. рис. 2). Но (14) имеет уже вид (11). ИЗ (14)

∣x−(−2)∣<4ε5+2ε.|x - (-2)| < \frac{4\varepsilon}{5+2\varepsilon}.

Таким образом, если ε<52\varepsilon < \frac{5}{2}, то при δ=4ε5+2ε\delta = \frac{4\varepsilon}{5+2\varepsilon} из 0<∣x−(−2)∣<δ0 < |x - (-2)| < \delta вытекает (8).

Но нам ведь надо доказать, что для любого ε>0\varepsilon > 0 существует такое δ>0\delta > 0, а мы показали это доказали только для ε<52\varepsilon < \frac{5}{2}. Однако, по существу, этого достаточно, потому что для ε≥52\varepsilon \geq \frac{5}{2} годится то же δ\delta!

В самом деле, пусть ε1≥52\varepsilon_1 \geq \frac{5}{2}; возможно произвольное ε2<52\varepsilon_2 < \frac{5}{2} и δ2=4ε25+2ε2\delta_2 = \frac{4\varepsilon_2}{5+2\varepsilon_2}; по доказанному из

0<∣x−(−2)∣<δ20 < |x - (-2)| < \delta_2

вытекает ∣5x−(−52)∣<ε2;\left| \frac{5}{x} - \left( -\frac{5}{2} \right) \right| < \varepsilon_2;

но ε2<52≤ε1\varepsilon_2 < \frac{5}{2} \leq \varepsilon_1; значит,

∣5x−(−52)∣<ε1.\left| \frac{5}{x} - \left( -\frac{5}{2} \right) \right| < \varepsilon_1.

Это замечание носит общий характер: оказывается, всегда можно искать δ\delta не для всех ε>0\varepsilon > 0, а для всех положительных ε\varepsilon, меньших любого выбранного нами положительного числа.

Разумеется, и в данном примере неравенство (2) = (8) верно при x=ax = a.

Пример 3. Доказем, что

lim⁡x→0(x⋅sin⁡1x)=0.\lim_{x \to 0} \left( x \cdot \sin \frac{1}{x} \right) = 0.

Рис. 2.

Неравенство (2) в данном случае имеет вид

∣x⋅sin⁡1x−0∣<ε,|x \cdot \sin \frac{1}{x} - 0| < \varepsilon,

∣x⋅sin⁡1x∣<ε.(15)|x \cdot \sin \frac{1}{x}| < \varepsilon. \tag{15}

Если мы в этом примере сразу же пошли тем же путем, что и в предыдущих, мы бы не достигли целлю: xx нам бы «обнажить» не удалось. Поэтому начнем с того, что «огрубим» неравенство (15): по скольку ∣sin⁡1x∣≤1,\left| \sin \frac{1}{x} \right| \leq 1,

∣xsin⁡1x∣≤∣x∣.(16)|x \sin \frac{1}{x}| \leq |x|. \tag{16}

ИЗ (16) вытекает, что вместе (15) достаточно искать δ\delta для неравенства ∣x∣<ε.|x| < \varepsilon. Поскольку в нашем случае неравенство (1) имеет вид 0<∣x∣<δ0 < |x| < \delta, ясно, что в качестве искомого δ\delta можно взять ε\varepsilon.

В данном примере неравенство (2) = (15) при x=a=0x = a = 0, конечно, не верно: функция xsin⁡1xx \sin \frac{1}{x} при x=0x = 0 не определяна.

Запомните дважды примененный нами пример «огрубения» — он часто бывают полезным.

В рассмотренных нами примерах отыскание δ\delta не вызывало больших функций доказательство утверждения (3) в «лоб», прямым отысканием δ\delta, обусловно не удается. В таких случаях может помочь теория.

Приведем пример из «нешкольной» теории. Справедлива также теорема: если lim⁡x→af(x)=0,lim⁡x→ag(x)=0\lim_{x \to a} f(x) = 0, \lim_{x \to a} g(x) = 0 и существует lim⁡x→af′(x)g′(x),\lim_{x \to a} \frac{f'(x)}{g'(x)}, то существует uu lim⁡x→af(x)g(x)u\lim_{x \to a} \frac{f(x)}{g(x)} u

lim⁡x→af(x)g(x)=lim⁡x→af′(x)g′(x).\lim_{x \to a} \frac{f(x)}{g(x)} = \lim_{x \to a} \frac{f'(x)}{g'(x)}.

Эта теорема называется правилом Лопитания. По этому правилу:

lim⁡x→0ex−e−xln⁡(e−x)+x−1=\lim_{x \to 0} \frac{e^x - e^{-x}}{\ln(e - x) + x - 1} =

=lim⁡x→0ex+e−x−1−1e+1=21−1e=2ee−1.= \lim_{x \to 0} \frac{e^x + e^{-x}}{-1 - \frac{1}{e} + 1} = \frac{2}{1 - \frac{1}{e}} = \frac{2e}{e - 1}.