Шведенко Начала математического анализа 2011
.pdf171
sIMWOLY o I O POZWOLQ@T WIDOIZMENQTX (I ^ASTO SOKRA- ]ATX) ZAPISX STANDARTNYH FRAZ I UTWERVDENIJ KASATELXNO
PREDELOW FUNKCIJ. nAPRIMER, TO, ^TO lim f(x) = b, MOVNO
x!x0;0
ALXTERNATIWNO ZAPISATX W WIDE f(x) ; b = o(1) x ! x0 ;0 SIMWOLI^ESKIE VE RAWENSTWA
A) o(1) = O(1), B) o(1) o(1) = o(1), W) o(1)O(1) = o(1)
KRATKO WYRAVA@T SOOTWETSTWENNO UTWERVDENIQ:
A) FUNKCIQ, BESKONE^NO MALAQ (PRI x ! x0), QWLQETSQ OGRANI^ENNOJ (W OKRESTNOSTI TO^KI x0)
B) SUMMA (I RAZNOSTX) DWUH BESKONE^NO MALYH FUNKCIJ ESTX BESKONE^NO MALAQ FUNKCIQ
W) PROIZWEDENIE BESKONE^NO MALOJ FUNKCII NA OGRANI- ^ENNU@ ESTX BESKONE^NO MALAQ FUNKCIQ.
sLEDUET OSOBO POD^ERKNUTX:
A) ZNAK = W SIMWOLIKE o I O NE QWLQETSQ ZNAKOM RAWEN- STWA W OBY^NOM SMYSLE (W ^ASTNOSTI, o(1) = O(1) | WERNOE UTWERVDENIE, A O(1) = o(1) | NET)
B) ZAPISX f(x) = o(1) (I EJ PODOBNYE) NE IMEET SMYSLA BEZ SOPROWOVDAEMOGO (ILI PODRAZUMEWAEMOGO) UKAZANIQ, K ^EMU STREMITSQ PEREMENNAQ x (NAPRIMER, sin x = o(x) x ! 1, | WERNOE UTWERVDENIE, A sin x = o(x) x !0, | NET).
wESXMA ^ASTO OPERIRU@T SOOTNO[ENIQMI TIPA
o(g(x)) = o(1) I o(g;x) h(x) = o;g(x)h(x)
g(x)
(A TAKVE IH ANALOGAMI DLQ O)1 I \BOLEE PRODWINUTYMI"
1 kAVDOE IZ NIH PREDPOLAGAET STREMLENIE x K NEKOTOROMU ZNA^E- NI@ x0 I NAPRQMU@ WYTEKAET IZ OPREDELENIJ: ESLI f(x) = o;g(x)
(SOOTWETSTWENNO, f(x) = O;g(x) ) PRI x ! x0, TO OTNO[ENIQ f(x) I g(x)
f(x)h(x)
g(x)h(x) OKAZYWA@TSQ (PRI x!x0 ) BESKONE^NO MALYMI (SOOTWETSTWEN-
NO, OGRANI^ENNYMI).
172
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o;g(x) O;h(x) = o;g(x)h(x) O;g(x) O;h(x) |
= O;g(x)h(x) |
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o O(g(x) = o g(x) O O(g(x) = O g(x) |
O o(g(x) = o g(x) . |
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; wOT, |
K PRIMERU; , DOKAZATELXSTWA; ; PERWOGO;I POSLEDNEGO; |
IZ |
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\TOGO SPISKA: |
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ESLI (PRI x ! x0) f1(x) = o g(x) , A f2(x) = O h(x) , T. E. |
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OTNO[ENIE |
f1(x) |
STREMITSQ K NUL@ |
, |
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A OTNO[ENIE |
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f2(x) |
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OSTA- |
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g(x) |
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;h(x) |
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ETSQ OGRANI^ENNYM, TO OTNO[ENIE |
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f1(x)f2(x) |
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STREMITSQ K |
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g(x)h(x) |
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NUL@, A POTOMU f1(x)f2(x) = o g(x)h(x) |
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(PRI x!x0) |
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ESLI |
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PRI x |
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x |
0) |
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o g x |
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T |
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E |
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( ) = |
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( ) , |
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( ) = |
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( ) , |
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f(x) |
! |
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h(x) |
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OTNO[ENIE |
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A OTNO[ENIE |
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h(x) |
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OSTAETSQ OGRANI^ENNYM, |
g(x) |
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STREMITSQ K NUL@, |
TO OTNO[ENIE |
f(x) |
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= f(x) h(x) |
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STREMIT- |
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g(x) |
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h(x) g(x) |
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SQ K NUL@, A \TO I OZNA^AET, ^TO f(x) = o g(x) |
|
(PRI x!x0). |
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fUNKCII y = f(x) I y = g(x) S^ITA@T |
\KWIWALENTNYMI |
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PRI x |
! |
x0 (ZAPISX: |
f(x) |
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g(x) x |
! |
x0), |
ESLI |
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lim |
f(x) |
= 1. |
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x!x0 g(x) |
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wOT PRQMOE SLEDSTWIE PRIWEDENNYH OPREDELENIJ. |
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f(x) g(x) x |
! x0 , |
W TOM I TOLXKO W TOM SLU^AE, |
KOGDA |
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|
g(x) |
f(x) x ! x0, I W TOM I TOLXKO W TOM SLU^AE, |
KOGDA |
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|
f(x) = g(x) + o g(x) x!x0. |
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pRIMERY |
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2 |
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3 |
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2 |
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2 |
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3 |
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3 |
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. 1. x |
+x |
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x |
x |
! |
0, |
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NO |
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x |
+x |
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x |
x |
! 1 |
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> 0. |
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2. ln x = o(x ) x |
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+ |
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, PRI L@BOM |
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w SILU OPRE- |
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! 1def |
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t |
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t |
2 |
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t |
n |
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t |
2 |
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> |
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DELENIQ \KSPONENTY exp t = lim |
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1+ |
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+ |
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+ |
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+ |
n! |
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2! |
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2! |
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n!+1 |
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t |
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DLQ t > 0, IZ ^EGO SLEDUET, ^TO |
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lim |
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> lim |
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2 |
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= 0 POLA- |
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t!+1 exp t |
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t!+1 t =2! |
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GAQ ln x |
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= t, MOVNO ZAKL@^ITX: |
lim |
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ln x |
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= |
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lim |
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1 |
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t |
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= 0 . |
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exp t |
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x!+1 x |
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t!+1 |
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173
sLEDU@]EE PROSTOE PRAWILO POZWOLQET UPROSTITX WY- ^ISLENIE PREDELOW PROIZWEDENIJ I OTNO[ENIJ FUNKCIJ:
|
|
oTYSKIWAQ PREDELY PROIZWEDENIJ I OTNO[ENIJ FUNKCIJ, |
||||||||||||||||||||||||||||||
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|
WHODQ]IE W NIH SOMNOVITELI1 MOVNO ZAMENQTX \KWIWA- |
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LENTNYMI IM FUNKCIQMI: ESLI f(x) f (x), A g(x) |
g(x) (W |
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OBOIH SLU^AQH x |
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x0 ), TO lim |
f(x)h(x) |
= lim |
f(x)h(x) |
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(ESLI |
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g(x) |
e |
g(x) |
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! |
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x!x0 |
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ex!x0 |
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e |
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e |
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KAKOJ-TO IZ \TIH PREDELOW SU]ESTWUET). |
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e |
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|
e |
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dOKAZATELXSTWO |
. |
pUSTX |
f(x) f(x) I g(x) g(x), x ! x0 , |
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e |
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T. E. lim |
f(x) |
= 1 I |
lim |
g(x) |
= 1. tOGDA ESLI lim |
f(x)h(x) |
= b, |
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g(x) |
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x |
! |
x0 f(x) |
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x |
! |
x0 g(x) |
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x |
! |
x0e |
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e |
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e |
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TO I |
lim |
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f(x)h(x) |
= |
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lim |
f(x) f(x)h(x) g(x) |
= b. Q.E.D. |
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g(x) |
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e |
g(x) |
e |
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x |
! |
x0 |
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x |
! |
x0 f(x) |
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g(x) |
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e |
|
e |
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bAZOJ DLQ PRAKTI^ESKOGO PRIMENENIQ SFORMULIROWANNO- GO PRAWILA SLUVIT SLEDU@]EE UTWERVDENIE.
eSLI FUNKCIQ y = '(x) QWLQETSQ BESKONE^NO MALOJ PRI
x ! x0 , PRI^EM '(x) 6=0 DLQ WSEH x 6=x0 IZ NEKOTOROJ OKRESTNOSTI TO^KI x0 , TO SPRAWEDLIWY SLEDU@]IE OT-
NO[ENIQ \KWIWALENTNOSTI (PRI x!x0): |
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exp '(x) |
|
1 |
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'(x) |
sin '(x) |
'(x) |
ln 1+ '(x) |
'(x) |
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; |
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tg '(x) |
'(x) |
; |
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a'(x) ;1 |
lna |
; |
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'(x) 1+ |
'(x) ;1 '(x) 2 |
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f('(x)) |
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b, DLQ L@BOJ FUNKCII y = f(t), IME@]EJ |
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limf(t) = b |
6 |
=.0 |
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||
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t!0 |
|
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dOKAZATELXSTWO (NAPRIMER, PERWOGO I DWUH POSLEDNIH)3:
1 nO NE SLAGAEMYE!
2 w PREDPOLOVENII, ^TO a >0 a 6= 1,A 6= 0. 3 dOKAZATELXSTWA OSTALXNYH | PO TOJ VE SHEME.
174
pUSTX fxng | L@BAQ SHODQ]AQSQ K x0 POSLEDOWATELXNOSTX DEJSTWITELXNYH ^ISEL, OTLI^NYH OT x0. tOGDA POSLEDOWA-
TELXNOSTX f'(xn)g |
BUDET SHODITXSQ K NUL@, PRI^EM WSE \LE- |
|||
MENTY '(xn) \TOJ POSLEDOWATELXNOSTI BUDUT OTLI^NY OT |
||||
NULQ. tAK KAK lim exp t;1 = 1, lim |
(1+t) ;1 = , A limf(t) = b, |
|||
t!0 |
t |
t!0 |
t |
t!0 |
|
|
|||
KRITERIJ (\KWIWALENTNOE OPREDELENIE) PREDELA FUNKCII W |
||||
TO^KE \^EREZ POSLEDOWATELXNOSTI" POZWOLQET ZAKL@^ITX: PO- |
||||
SLEDOWATELXNOSTI exp '(xn);1 |
, (1+'(xn)) ;1 |
|
||
I f('(xn)) |
||||
|
'(xn) |
|
'(xn) |
|
SHODQTSQ SOOTWETSTWENNO K EDINICE, ^ISLU I ^ISLU b. pOWTORNO PRIMENQQ WY[EUPOMQNUTYJ KRITERIJ, MOVNO PRIJTI K WYWODU:
lim exp '(x) |
;1 = 1, |
lim |
(1+'(x)) ;1 = I |
lim f('(x)) = b. |
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x!x0 |
|
'(x) |
|
x!x0 |
'(x) |
x!x0 |
|
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|
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tAK KAK PO PREDPOLOVENI@ 6= 0I b 6= 0,\TO OZNA^AET, ^TO |
||||||
exp '(x) ;1 |
'(x) |
1+ '(x) ;1 '(x) I f('(x)) b |
||||
PRI x |
! |
x0 . Q.E.D. |
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|
|
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zAME^ANIE. pRI OTYSKANII PREDELOW PROIZWEDENIJ I OT- NO[ENIJ FUNKCIJ ZAMENQTX \KWIWALENTNYMI FUNKCIQMI MOVNO LI[X WHODQ]IE W NIH SOMNOVITELI, NO NI W KOEM
SLU^AE NE SLAGAEMYE: ZAMENA W HODE WY^ISLENIQ lim |
1 |
cos x |
|
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|
;x2 |
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x!0 |
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WY^ITAEMOGO cos x NA \KWIWALENTNU@ EMU (PRI x ! |
0) EDI- |
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NICU DAET NEPRAWILXNYJ OTWET NULX, TOGDA KAK NA SAMOM |
||||||||||||||||||||||||
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1 |
cos x |
|
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2 sin2 |
x |
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2( |
x |
)2 |
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1 |
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2 |
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2 |
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; 2 |
= lim |
x |
2 |
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= lim |
x |
2 |
= 2 . |
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x!0 |
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x |
x!0 |
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x!0 |
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. 1. lim |
ln tg x |
= |
lim ln(1+(tg x;1) = |
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x! 4 |
1;ctg x |
x! 4 |
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1;ctg x |
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= lim |
tg x;1 |
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= lim tg x = 1. |
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x! 4 |
1;ctg x |
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x! 4 |
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175 |
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2. lim ; |
2x;3 |
x+1 |
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= lim exp;(x |
+1) ln |
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2x; |
3 |
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= |
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x!1 |
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2x+1 |
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x!1 |
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2x+1 |
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= |
lim exp (x+1) ln 1+ |
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4 |
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= exp |
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lim |
;4(x+1) |
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= e;2. |
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; |
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; |
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x!1 |
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; |
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; |
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x!1 2x+1 |
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2x+1 |
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sin x |
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1 |
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1 |
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sin x |
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3. lim; |
x;a |
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= lim exp; |
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ln |
= |
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x;a |
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x!a |
sin a |
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x!a |
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|
sin a |
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||||||||||||||||||||||||||||||||||
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= lim exp |
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1 |
ln 1+ |
sin x |
;sin a |
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= lim |
sin x;sin a |
= |
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|
;x;a |
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|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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x!a |
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|
; |
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sin a |
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x!a (x;a) sin a |
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2 cos |
x+a |
sin |
x;a |
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|
cos |
x+a |
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= lim |
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2 |
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2 |
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= lim |
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2 |
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= ctg a. |
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(x;a) sin a |
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sin a |
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x!a |
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x!a |
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ln |
1+x |
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||||||
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4. lim |
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1;x |
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=1 |
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x!0 arctg(1+x);arctg(1;x) |
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ln;1+ |
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2x |
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= lim |
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1;x |
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= |
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x!0 tg(arctg(1+x) |
;arctg(1;x)) |
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2x |
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= lim |
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1;x |
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= |
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x!0 |
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tg(arctg(1+x)) |
;tg(arctg(1;x)) |
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1+tg(arctg(1+x))tg(arctg(1;x)) |
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2x |
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= lim |
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1;x |
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= 2. |
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x!0 |
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(1+x) |
;(1;x) |
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1+(1+x)(1;x) |
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x p |
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lim x2 |
|
p |
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|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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5. |
lim |
x2 |
+1 |
; |
|
x |
= |
|
|
|
1+ x |
|
|
2 |
; |
1 = |
|
|
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|
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x!+1 |
|
; |
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x!+1 |
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; |
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|
; |
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x2 |
1 |
x;2 = |
1 |
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|||||||||||||||||||||||||
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= |
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lim |
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2 |
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x!+1 |
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2 |
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x p |
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x2) p |
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lim |
x2 |
+1 |
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x |
= |
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lim ( |
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1+ x;2 |
+1 = |
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|
. |
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x!;1 |
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x!;1 |
; |
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;1 |
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6. limx |
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1 |
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= lim exp |
; |
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1 |
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ln x |
= lim exp ln(1+(x;1)) |
= e;1. |
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1x |
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x!1 |
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x!1 |
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1;x |
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x!1 |
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;(1;x) |
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1 |
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tAK KAK arctg(1+x) ;arctg(1;x) ! 0 PRI x ! 0. |
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176
w SLEDU@]IH PRIMERAH a I b | POLOVITELXNYE ^ISLA.
7. lim |
ax;xa |
= lim |
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(ax;aa) ;(xa;aa) = |
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x!a |
x;a |
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x!a |
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1 s U^ETOM WOZMOVNOSTI PERESTANOWKI SIMWOLOW \KSPONENTY I PRE-
DELA (SM. S. 161).
177
wYDELENIE GLAWNOJ ^ASTI FUNKCII
sREDI OTNO[ENIJ \KWIWALENTNOSTI f(x) g(x) x !x0 ,
OSOBO WYDELQ@T TE, KOTORYE IME@T WID
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x |
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S. 172) , FUNKCIQ y |
= ln x NE IMEET GLAWNOJ ^ASTI WIDA c |
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ln x |
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PRI x |
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+ |
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. zAMENA VE W SOOTNO[ENII |
lim |
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= 0 |
PERE- |
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x!+1 x |
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MENNOJ x NA |
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, PRIWODQ]AQ K SOOTNO[ENI@ |
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lim x ln x=0 |
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x |
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x!0+0 |
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(PRI L@BOM >0) POZWOLQET SDELATX WYWOD: FUNKCIQ y = ln x |
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NE IMEET GLAWNOJ ^ASTI WIDA c |
;x |
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PRI x |
! |
0+0. |
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x |
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6. |
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lim |
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xx |
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;1 |
= |
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lim |
exp (exp(x ln x) |
; |
1) ln x =2 |
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x!0+0 |
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x!0+0 |
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= |
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lim |
exp(x ln2 x) =2 exp 0 = 1, |
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x ;0+0 |
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IZ ^EGO SLEDUET, ^TO GLAWNOJ ^ASTX@ FUNKCII y = xx |
x! 0 +0 QWLQETSQ BESKONE^NO MALAQ x.
1 ~ASTO \TO WYRAVA@T SLOWAMI: \ln x RASTET PRI x!+1 MEDLENNEE
L@BOJ STEPENI x".
2 s U^ETOM TOGOG, ^TO |
lim x ln x = 0 PRI L@BOM >0 (SM. PREDY- |
|
x!0+0 |
DU]IJ PRIMER). |
|
179
III.12. ~TO PODRAZUMEWA@T POD TO^KAMI RAZRYWA FUNKCII
tO^KAMI RAZRYWA FUNKCII ESTESTWENNO NAZYWATX TE TO^- KI, W KOTORYH NARU[AETSQ NEPRERYWNOSTX DANNOJ FUNKCII1. nEOVIDANNO WOZNIKA@]AQ PRI \TOM TRUDNOSTX SOSTOIT W TOM, ^TO NE WSQKU@ TO^KU, W KOTOROJ FUNKCIQ NE QWLQETSQ NEPRERYWNOJ, RAZUMNO S^ITATX TO^KOJ RAZRYWA \TOJ FUNK-
CII NAPRIMER, FUNKCIQ y = arcsin x NE QWLQETSQ NEPRERYW- NOJ PRI x = 2, ODNAKO x = 2 NE ESTX TO^KA RAZRYWA \TOJ FUNKCII.
dATX WSEOHWATNOE OPREDELENIE TO^KI RAZRYWA FUNKCII OKAZYWAETSQ NE TAK PROSTO, I TO, K ^EMU UDALOSX PRIJTI W RAMKAH MATEMATI^ESKOGO ANALIZA, SWODITSQ K WYDELENI@ SLEDU@]IH WIDOW TO^EK RAZRYWA FUNKCIJ DEJSTWITELXNOJ
PEREMENNOJ2.
I. dWUHSTORONNIE RAZRYWY FUNKCII.
tO^KU x0 2 R S^ITA@T TO^KOJ DWUHSTORONNEGO RAZRYWA3
FUNKCII y = f(x), ESLI \TA FUNKCIQ OPREDELENA W NEKOTO- ROJ OKRESTNOSTI TO^KI x0 , ISKL@^AQ, WOZMOVNO, SAMU \TU TO^KU, I NE QWLQETSQ NEPRERYWNOJ W TO^KE x0 NI SLEWA, NI SPRAWA4.
1 wOT ^TO OB \TOM PISAL kO[I ([34], S. 35): \ESLI FUNKCIQ f(x) PE-
RESTAET BYTX NEPRERYWNOJ W OKRESTNOSTI KONKRETNOGO ZNA^ENIQ PERE- MENNOJ x, TO GOWORQT, ^TO ONA STANOWITSQ RAZRYWNOJ I ^TO PRI \TOM KONKRETNOM ZNA^ENII PEREMENNOJ PROISHODIT RAZRYW". (w ORIGINALE:
\lorsqu'une fonction f(x) cesse d'^etre continue dans le voisinage d'une valeur particuliere de la variable x, on dit qu'elle devient alors discontinue, et qu'il y a pour cette valeur particuliere solution de continuite".)
2 s TEMI ILI INYMI OGOWORKAMI I RASHOVDENIQMI W DETALQH. 3 iLI, DLQ KRATKOSTI, PROSTO TO^KOJ RAZRYWA.
4 iNOGDA DOPOLNITELXNO TREBU@T, ^TOBY W TO^KAH x 6=x0 UKAZANNOJ
OKRESTNOSTI FUNKCIQ y = f(x) BYLA NEPRERYWNOJ.
180
dWUHSTORONNIJ RAZRYW FUNKCII W TO^KE BYWAET ODNOJ IZ SLEDU@]IH TREH RAZNOWIDNOSTEJ:
USTRANIMYJ RAZRYW | KOGDA FUNKCIQ y = f(x) IMEET W TO^KE x0 (KONE^NYJ) PREDEL (ILI, ^TO RAWNOSILXNO, RAWNYE
MEVDU SOBOJ PREDELY SLEWA I SPRAWA), NO PRI \TOM NE QWLQ-
ETSQ NEPRERYWNOJ W TO^KE x0 , T. E. NE WYPOLNQETSQ RAWENSTWO
lim f(x) = f(x0) | TO LI IZ-ZA TOGO, ^TO NE OPREDELENO ZNA-
x!x0
^ENIE f(x0), TO LI IZ-ZA TOGO, ^TO ZNA^ENIE f(x0) NE RAWNO PREDELU FUNKCII W TO^KE x0
RAZRYW 1-GO RODA | KOGDA FUNKCIQ y = f(x) IMEET W TO^KE x0 (KONE^NYE) PREDELY SLEWA I SPRAWA, NO ONI NE RAWNY DRUG
DRUGU: lim f(x) 6=lim f(x)
x!x0;0 x!x0+0
RAZRYW 2-GO RODA | KOGDA FUNKCIQ y = f(x) NE IMEET W TO^KE x0 LIBO PREDELA SLEWA, LIBO PREDELA SPRAWA (LIBO OBOIH), LIBO ODIN IZ NIH (ILI OBA) QWLQ@TSQ BESKONE^NYMI.
tERMIN USTRANIMYJ RAZRYW OB_QSNQETSQ TEM, ^TO ESLI FUNKCIQ y = f(x) IMEET W TO^KE x0 PREDEL, RAWNYJ b, NO PRI \TOM LIBO b 6=f(x0), LIBO ZNA^ENIE f(x0) NE OPREDELENO, TO POSLE IZMENENIQ FUNKCII W OD-
def
NOJ LI[X TO^KE x0 PRISWOENIEM EJ NOWOGO ZNA^ENIQ f(x0) = b FUNKCIQ STANOWITSQ NEPRERYWNOJ W TO^KE x0 , T. E. RAZRYW USTRANQETSQ. nAPRO- TIW, RAZRYWY 1-GO I 2-GO RODA QWLQ@TSQ NEUSTRANIMYMI: NI PRI KAKOM OPREDELENII (ILI IZMENENII) ZNA^ENIQ f(x0) SOOTNO[ENIE NEPRERYW-
NOSTI lim f(x) = f(x0) NE MOVET BYTX DOSTIGNUTO.
x!x0
II. oDNOSTORONNIE RAZRYWY FUNKCII.
tO^KU x0 2 R S^ITA@T TO^KOJ LEWOSTORONNEGO RAZRYWA
FUNKCII y = f(x), ESLI \TA FUNKCIQ OPREDELENA W NEKOTOROJ
LEWOJ OKRESTNOSTI TO^KI x0 , WKL@^AQ SAMU \TU TO^KU, NO NE QWLQETSQ NEPRERYWNOJ SLEWA W TO^KE x0 (SPRAWA OT TO^KI x0 FUNKCIQ MOVET BYTX OPREDELENA ILI NE OPREDELENA, NO ESLI UV ONA OPREDELENA W PRAWOJ OKRESTNOSTI TO^KI x0 , TO