Локальные свойства непрерывности функций.
Th.1 Если f:ER непрерывна в точке аЕ, предельной точке Е, то U(a;E): |f(x)|M(0;+)
x U(a;E), т.е. функция в этой окрестности ограничена.
Доказательсво сразу следует из определения непрерывности
Th.1 Пусть f:ER и :ER непрерывные в точке аЕ, предельной для Е. Тогда f(x)+(x),
f(x)*(x), f(x)/(x) (если (x)0) являются непрерывными в точке а.
(последнего) limEэха[f(x)/g(x)]=(limEэхаf(x))/( limEэхаg(x))=f(a)/g(a) (g(a)0) эти теоремы выражают локальные свойства
Def.4 Функция, определеннапя следующим образом:
D(x) 1,xQ – множество рациональных чисел;
0, xR\Q=I –множество иррациональных чисел
D(x) – функция Дирихле. Функция Дирихле отображает R в R. D:RR. aR, покажем, что функция Дирихле в этой точке разрывна и докажем, что она всюду определена и всюду разрывна.
a R
( | ) limхаD(x) (предел не существует)
U(a)
Классификация точек разрыва функции.
Def.1 Точка а называетсяточкой разрыва функции f:ER первого рода, если f(a+0) f(a-0),
Если хотябы один из этих пределов , то точка разрыва а называется точкой разрыва
второго рода. Другими словами точка разрыва второгго рода – все точки разрыва, которые не являются точками разрыва первого рода.
Def.2 Точка разрыва первого рода называется точкой устранимого
разрыва, если f(a+0)=f(a-0) (предел слева равен пределу справа)
Если точка а есть точка устранимого разрыва, то достаточно измениить
функцию в одной лишь точке а, положив f(a)=limEэхаf(x)= f(a+0)=f(a-0),
чтобы эта новая функция была уже непрерывна в точке а.
Def.3 Разрыв первого рода назыывается разрывом первого рода типа конечного скачка
ф ункции f, если h(a):= f(a+0)-f(a-0). (h(a) – скачок функции в точке а) Функция Дирихле имеет в каждой точке разрыв 2-ого рода, так как f(a+0) и f(a-0)
Пример f(x)=1/x ; a=0 f(0+0)=+ ; f(0-0)=-, а-точка разрыва 2-ого рода
Свойства функций, непрерывных на отрезке.
Глобальные свойства нерерывных функций.
Th.1 (Больцано-Коши о промежуточном значении) fc[a,b] и f(a)*f(b)<0c[a,b]:f(c)=0
I0=[a,b] Разделим пополам точкой (a+b)/2 на 2
отрезка [a,(a+b)/2],[(a+b)/2,b] Если f((a+b)/2)0, тогда
выберем такой отрезок, на коцах которого функция
принимает значения разного знака и обозначим этот
отрезок I1; I1I0. Поступим с отрезком I1 точно также
как и с отрезком I0 и получим отрезок I2 и так далее
I2I1. На некотором этапе получим либо на конце отрезка значение, равное 0, либо этого не
происходит и мы получам систему стягивающихся отрезков. По лемме о стягивающейся системе
отрезках точка сIn n=0,1,2… в точке с функция непрерывна In=[ xn’;xn”] limn
xn’=c=limn xn”, построению отрезка In f(xn”)*f(xn’)<0 (перейдем в этом неравенстве к
пределам) limn(f(xn’)*f(xn”))= =limnf(xn’)*limnf(xn”)=f(c)*f(c)= f(c)2<0 f(c)=0
Следствие (из теоремы Больцано Коши).
Пусть функция f(х) непрерывна на интервале (c,d). Точки a,b(c,d), тогда : l, расположенном
между A= f(a) и B= f(b) xо расположеная расположенная между точками a и b: f(xо)=l
f(x)=C[a,b] (множество функций, непрерывных на [a,b])к такой функции применима теорема Б.-К. Рассмотрим : (х):=f(x)-lC[a,b], т.к. f(x) C[a,b] (по теореме о непрерывных функций)
(a)=f(a)-l=A-l (b)=f(b)-l=B-l Умножим (а)*(b)=(A-l)*(B-l)<0, т.к. l лежит между А и В одна из скобок будет отрицательной. Из теоремы Б.-К. : xо (a,b):( xо)=0 ; ( xо)=0=f(xо)-l f(xо)=l
Th.1 (Вейерштрасса о достижении точных граней)
Пусть функция f:[a,b]R: fC[a,b] Тогда справедливы 2 утверждения:
1) f(x) – ограничена на [a,b] (т.е. М(0;+): |f(x)|M x[a,b])
2) точные верхние и нижние грани достигаются функцией f(x) на отрезке [a,b], т.е.
x1[a,b]:=supx[a,b]f(x1)=f(x) (*) и x2[a,b]:=infx[a,b]f(x)=f(x2) (**)
1) Предположим противное, т.е. что f(x) не ограничена на [a,b]
Обозначим I0:=[a,b] поделим его пополам, тогда хотябы в одном из этих 2-х отрезков функция не ограничена. Обозначим I1 тот отрезок, на котором функция не ограничена (I1 Iо).Поделим I1 пополам, и обозначим I2 один из этих 2-х отрезков, где функция не ограничена (I2 I1). Получаем последовательность стягивающихся отрезков In … I2 I1 Io по лемме о стягивающихся отрезках ! xoIn nN/{0}Эта точка обладает следующим свойством: в её окрестности функция не ограничена и xo[a,b], но в точке xo f(х) непрерывна и lim[a,b]эxxof(x)=f(xo)>0=()>0 |x- xo|<, x[a,b]| f(x)-f(xo)|<
-< f(x)-f(xo)< ; f(xo)-< f(x) < f(xo)+ функция ограничена, а мы предположили обратное противоречие
2) Докажем (*) Предположим, что (*) не выполнено А:=supx[a,b]f(x)>f(x) x[a,b]. Рассмотрим (х)=A-f(x)C[a,b] ; (x)>0 x[a,b]. Рассмотрим (x)=1/(x)=1/(A-f(x)), т.к. нет точки разрыва (знаменатель не обращается в 0) (x)C[a,b] по первой части теоремы (x)ограничена (во всяком случае сверху) некоторой константой В(0;+), т.е. 1/(A-f(x))B x[a,b] A-f(x)1/b f(x)A-1/B x[a,b]. Это означает, что A-1/B является мажорантой множества значений функции f(x) на отрезке [a,b], но по определению точной верхней грани число А является самой маленькой из множества мажорант, но А-1/В<А, что невозможно противоречие получено
Формула (**) доказывается аналогично
Замечание Теорема Вейерштрасса перестает быть верной, если fC[a,b]
Пример f(x)=1/x