Funkční limit

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 18. srpna 2022; kontroly vyžadují 8 úprav .

Limita funkce ( limitní hodnota funkce ) v bodě, který je limitující pro definiční obor funkce, je taková hodnota, ke které hodnota uvažované funkce inklinuje, když její argument směřuje k danému bodu. Jeden ze základních pojmů matematické analýzy .

Limita funkce je zobecněním konceptu limity posloupnosti . Zpočátku byla limita funkce v bodě chápána jako limita posloupnosti funkčních hodnot: , odpovídající posloupnosti prvků definičního oboru funkce , konvergující k bodu . Pokud taková limita existuje, pak se říká, že funkce konverguje k zadané hodnotě, jinak se říká, že funkce diverguje.

Nejčastěji je definice limity funkce formulována v jazyce sousedství . Skutečnost, že limita funkce je uvažována pouze v bodech, které jsou pro definiční obor funkce omezující, znamená, že v libovolném okolí daného bodu jsou body definičního oboru. To nám umožňuje mluvit o tendenci argumentu funkce k danému bodu. V tomto případě limitní bod definičního oboru nemusí patřit do samotného definičního oboru: lze například uvažovat limitu funkce na koncích otevřeného intervalu , na kterém je funkce definována (např. konce intervalu samotné nejsou zahrnuty do domény definice).

V obecném případě je třeba konkrétně uvést metodu konvergence funkce, pro kterou se zavádí tzv. báze podmnožin definičního oboru funkce a následně se formuluje definice limity funkce podle k (dané) základně. V tomto smyslu je systém proražených sousedství daného bodu konkrétním případem takové báze množin.

Také díky zohlednění prodloužené reálné čáry (na níž lze postavit základnu okolí i pro bod v nekonečnu), je možné definovat takové pojmy, jako je limita funkce, protože argument má tendenci k nekonečnu, stejně jako tendence samotné funkce k nekonečnu. Limita posloupnosti (jako limita funkce přirozeného argumentu) je jen příkladem konvergence v bázi "tendencí argumentu k nekonečnu".

Absence limity funkce v bodě znamená, že pro libovolnou danou hodnotu rozsahu hodnot lze zvolit takové okolí této hodnoty, že v libovolném libovolně malém okolí bodu, kde funkce nabývá dané hodnoty, existuje body, kde hodnota funkce bude mimo zadané okolí.

Pokud v některém bodě definičního oboru funkce existuje limita a tato limita je rovna hodnotě funkce v daném bodě, pak se funkce v daném bodě nazývá spojitá .

Definice

Uvažujme funkci a aspirační bod , který je limitním bodem pro definiční obor, ale nemusí do něj patřit. Existuje několik ekvivalentních definic limity funkce – mezi nimi jsou ty, které formulovali Heine a Cauchy .

Heineova limita funkce

Hodnota se nazývá limit ( limitní hodnota ) funkce v bodě , pokud pro jakoukoli sekvenci bodů konvergujících, ale neobsahujících jako jeden z jejích prvků (tj. v proraženém sousedství ), posloupnost hodnot funkce konverguje k [1] .

Cauchyho limita funkce

Hodnota se nazývá limita ( limitní hodnota ) funkce v bodě , pokud pro libovolné kladné číslo je možné vybrat kladné číslo, které jí odpovídá tak , že pro všechny argumenty splňující podmínku je splněna nerovnost: tj. [1 ] .

kde:

Definice sousedství Cauchyho limity

Hodnota se nazývá limita ( mezní hodnota ) funkce v bodě , pokud pro jakékoli okolí bodu existuje proražené okolí bodu tak, že obraz tohoto okolí leží v . Základní zdůvodnění této definice limity lze nalézt v článku " Limit podél filtru ".

Nastavit základní limit

Nejobecnější definicí je definice limity funkce vzhledem k bázi (bází filtru, filtrem).

Nechť je  nějaký základ podmnožin definičního oboru. Pak

Jestliže  je limitní bod množiny , pak to znamená, že každé proražené okolí bodu v množině není prázdné, a proto je v bodě základna proražených sousedství . Tato základna má speciální označení " " a zní "při sklonu k přes sadu ". Pokud se definiční obor funkce shoduje s , pak je ikona set vynechána, pak se základ označí zcela jednoduše „ “ a zní „s tendenci k “.

Při uvažování pouze numerických funkcí reálné proměnné jsou uvažovány i báze jednostranných okolí. K tomu jsou uvažovány dvě sady:

V souladu s tím se zavádějí dvě základny:

Ekvivalence definic

Všechny výše uvedené definice limity funkce v bodě jsou ekvivalentní [1] . Abychom to dokázali, je nutné a postačující přijmout spočetný axiom výběru . Nicméně, v jiných formálních systémech, takový jak v konstruktivní matematice , ekvivalence je vyvrácena příklady.

Variace a zobecnění

Jednostranný limit

Jednostranná limita numerické funkce v bodě je specifická limita, která implikuje, že se argument funkce přibližuje k určenému bodu z určité strany (zleva nebo zprava). Numerická funkce reálné proměnné má limitu v bodě právě tehdy, když má v tomto bodě stejnou levou a pravou limitu.

Limit podél filtru

Limita funkce podél filtru  je zobecněním konceptu limity na případ libovolného oboru funkce. Zadáním konkrétních případů definiční domény a základu filtru na ní lze získat mnoho definic limitů uvedených v tomto článku.

Limity v nekonečnu

Limita funkce v nekonečnu popisuje chování hodnot funkce, když se absolutní hodnota jejího argumentu stane nekonečně velkou. Existují různé definice takových limitů, ale jsou si navzájem ekvivalentní.

Limita v nekonečnu podle Heineho
  • Nechť je dána numerická funkce na množině , která může obsahovat libovolně velký prvek, to znamená, že pro každý kladný prvek množiny leží mimo hranice segmentu . V tomto případě se číslo nazývá limita funkce v nekonečnu , pokud pro jakoukoli posloupnost bodů , která počínaje určitým číslem n bude neomezeně růst v absolutní hodnotě, je odpovídající posloupnost soukromých hodnot funkce v tyto body konvergují k číslu
  • Nechť je dána numerická funkce na množině, ve které pro libovolné číslo existuje prvek ležící napravo od ní. V tomto případě se číslo nazývá limita funkce v plus nekonečnu , pokud pro jakoukoli posloupnost bodů , která počínaje určitým číslem n , poroste donekonečna v kladném směru, odpovídající posloupnost soukromých hodnot funkce v těchto bodech konverguje k číslu . kde je konjunkce .
  • Nechť je dána číselná funkce na množině, ve které pro libovolné číslo leží prvek nalevo od ní. V tomto případě se číslo nazývá limita funkce v mínus nekonečnu pouze za podmínky, že pro jakoukoli nekonečně velkou sekvenci záporných bodů odpovídající sekvence dílčích hodnot funkce v těchto bodech konverguje k číslu .
Limita v nekonečnu podle Cauchyho
  • Nechť je dána numerická funkce na množině, ve které je libovolně velký prvek, to znamená, že pro jakýkoli kladný prvek v ní existuje prvek ležící mimo hranice segmentu . V tomto případě se toto číslo nazývá limita funkce v nekonečnu , jestliže pro libovolné kladné číslo je nalezeno kladné číslo , které mu odpovídá takové, že pro všechny body přesahující v absolutní hodnotě platí nerovnost .
  • Nechť je dána numerická funkce na množině, ve které pro libovolné číslo existuje prvek ležící napravo od ní. V tomto případě se toto číslo nazývá limita funkce v plus nekonečnu , pokud pro libovolné kladné číslo existuje kladné číslo, které mu odpovídá takové, že pro všechny body napravo platí nerovnost .
  • Nechť je dána číselná funkce na množině, ve které pro libovolné číslo leží prvek nalevo od ní. V tomto případě se toto číslo nazývá limita funkce v mínus nekonečnu , pokud pro libovolné kladné číslo existuje kladné číslo, které mu odpovídá takové, že pro všechny body nalevo platí nerovnost .
Definice sousedství podle Cauchyho

Nechť je funkce definována na množině , která má prvky mimo jakékoli okolí nuly. V tomto případě se bod nazývá limita funkce v nekonečnu , pokud pro kterékoli z jeho malých okolí existuje dostatečně velké okolí nuly, že všechny hodnoty funkce v bodech ležících mimo toto okolí nuly spadají do toto okolí bodu .

Částečný limit

Pro funkci, stejně jako pro posloupnost , lze zavést pojem částečné limity. Číslo se nazývá částečná limita funkce v bodě , jestliže „ prochází “ taková nekonečná podposloupnost posloupnosti , po které při neomezeném nárůstu čísla funkce směřuje k existenci limity funkce v bodě. je nezbytný a dostačující pro [2] .

Notace

Pokud má funkce v určitém bodě limit rovný , pak říkají, že funkce inklinuje k , když inklinuje k , a zapisují jedním z následujících způsobů:

  • nebo

Pokud má funkce limitu v nekonečnu rovnou , pak se říká, že funkce má tendenci k blížícímu se nekonečnu a je zapsána jedním z následujících způsobů:

  • nebo

Pokud má funkce limitu v plus nekonečnu rovnou , pak se říká, že funkce má tendenci k plus nekonečnu, a je zapsána jedním z následujících způsobů:

  • nebo

Pokud má funkce limitu v mínus nekonečnu rovnou , pak se říká, že funkce má tendenci k mínus nekonečnu a je zapsána jedním z následujících způsobů:

  • nebo

Vlastnosti limit numerických funkcí

Nechť jsou uvedeny číselné funkce a aspirační bod[ vyčistit ]

  • Stejná funkce ve stejném bodě může mít pouze jednu limitu.
Důkaz

    Důkaz kontradikcí. Nechat existovat a .

Předpokládejme . Vezměme a zapišme si definice:

.

.

Nechte , pak  : a

ale pak

tedy    protimluv. Limit je tedy pouze jeden.   

  • Konvergentní funkce zachovává znaménko pouze lokálně a nic jiného. Obecněji:
kde  je proražené okolí bodu poloměru
  • Zejména funkce konvergující ke kladné (záporné) limitě zůstává kladná (záporná) v určitém sousedství limitního bodu:
  • Konvergentní funkce je lokálně omezená v okolí limitního bodu:
  • Oddělitelnost od nuly funkcí, které mají nenulový limit.
  • Operace odebírání limitu zachovává nepřísné nerovnosti.
    • Při přejezdu na limit nemusí být zachovány přísné nerovnosti. Příklad: V těsné blízkosti nuly , ale jejich meze v nule se shodují.
pak existuje .
  • Limit součtu se rovná součtu limitů:
  • Limit rozdílu se rovná rozdílu limitů:
  • Limit produktu se rovná součinu limitů:
  • Podílová limita se rovná podílu limit:
  • Limit složení:

Příklady

Viz také

Poznámky

  1. 1 2 3 V. A. Iljin , V. A. Sadovničij , Bl. H. Sendov . Kapitola 3. Teorie limit // Matematická analýza / Ed. A. N. Tichonova . - 3. vyd. , revidováno a doplňkové - M. : Prospekt, 2006. - T. 1. - S. 105 - 121. - 672 s. — ISBN 5-482-00445-7 .
  2. Demidovich B.P. Sbírka úloh a cvičení z matematické analýzy. - 7. vyd. — M .: Nauka , 1969. — S. 47.

Literatura

Odkazy