-
Предел функции в точке.
Начать изучение
-
Предел по множеству.
Начать изучение
-
Повторные пределы. Бесконечные пределы.
Начать изучение
Предел функции в точке.
Напомним, что окрестностью (O(x^0)) точки (x^0) в метрическом пространстве (X) называется любое множество, для которого точка (x^0) является внутренней. Проколотая окрестность (dot{O}(x^0)) получается из (O(x^0)) удалением самой точки (x^0), то есть (dot{O}(x^0)=O(x^0)backslash{x^0}).
Будем рассматривать функции (f: Mrightarrow R), где (M) есть некоторое множество, принадлежащее метрическому пространству (X). Если (X=R^n), то функция (f: Mrightarrow R) называется функцией многих переменных и обозначается обычно следующим образом:
$$
f(x)=f(x_1,ldots,x_n),quad xin M.nonumber
$$
Например, функция (displaystyle sqrt{1-x_1^2-x_2^2}) определена в единичном круге пространства (R^2) с центром в точке ((0,0)), а функция (operatorname{ln}(x_1^2+x_2^2)) определена в любой проколотой окрестности точки ((0,0)).
Определение 1.
Пусть функция (f(x)) определена в проколотой окрестности (dot{O}(x^0)) точки (x^0) метрического пространства (X). Говорят, что число (A) есть предел функции (f(x)) при (xrightarrow x_0), если (forall varepsilon > 0 exists delta > 0) такое, что для (forall xindot{O}(x^0)), удовлетворяющего условию (rho(x,x^0) < delta), выполнено неравенство (|f(x)-A| < varepsilon).
Определение 2.
Говорят, что функция (f(x)), определенная в (dot{O}(x^0)), имеет при (xrightarrow x_0) предел (A), если для любой последовательности (x^{(k)}indot{O}(x^0)) такой, что (displaystylelim_{krightarrowinfty}x^{(k)}=x^0), выполнено равенство (displaystylelim_{krightarrowinfty}f(x^{(k)})=A).
Эквивалентность двух определений предела доказывается так же, как и для функций одной переменной.
Если число (A) есть предел функции (f(x)) при (xrightarrow x_0), то будем писать
$$
A=lim_{xrightarrow x^0}f(x).nonumber
$$
Если функция двух переменных (f(x,y)) определена в (dot{O}((a,b))), a число (A) есть ее предел при ((x,y)rightarrow(a,b)), то пишут
$$
A=lim_{xrightarrow a,yrightarrow b}f(x,y)nonumber
$$
и называют иногда число (A) двойным пределом.
Аналогично, для функции (n) переменных наряду с обозначением (A=displaystylelim_{xrightarrow x^0}f(x)) будем использовать обозначение
$$
A=lim_{xrightarrow x_1^0,ldots,x_nrightarrow x_n^0}f(x_1,ldots,x_n).nonumber
$$
Лемма 1.
Пусть функции (f(x)) и (varphi(x)) определены в (dot{O}(x^0)) и (|f(x)|leq varphi(x)) в (dot{O}(x^0)). Если (displaystylelim_{xrightarrow x^0}varphi(x)=0), то и (displaystylelim_{xrightarrow x^0}f(x)=0).
Доказательство.
(circ) Так как (displaystylelim_{xrightarrow x^0}varphi(x)=0), то для любого (varepsilon > 0) найдется шар (S_{delta}(x^0)) такой, что для всех (xin S_{delta}(x^0)) выполнено неравенство (|varphi(x)| < varepsilon). Тем более для всех (xin S_{delta}(x^0)) выполнено неравенство (|f(x)| < varepsilon), то есть (displaystylelim_{xrightarrow x^0}f(x)=0). (bullet)
Пример 1.
Доказать, что (displaystylelim_{xrightarrow 0,yrightarrow 0}(x^2+y^2)^a=0), если (a > 0).
Решение.
(triangle) Возьмем любое (varepsilon > 0). Положим (delta=varepsilon^{1/(2a)}). Пусть ((x,y)in S_delta(0, 0)), тогда
$$
(x^2+y^2)^a < delta^{2a} < varepsilon,nonumber
$$
то есть
$$
lim_{xrightarrow 0,yrightarrow 0}(x^2+y^2)^a=0.nonumber
$$
Что и требовалось доказать. (blacktriangle)
Пример 2.
Показать, что (displaystyle lim_{xrightarrow 0,yrightarrow 0}frac{|x|^{alpha}|y|^{beta}}{(x^2+y^2)^{gamma}}=0), если (alpha+beta-2gamma > 0).
Решение.
(triangle) Так как
$$
|x| < sqrt{x^2+y^2},qquad |y| < sqrt{x^2+y^2},nonumber
$$
то при (x^2+y^2 > 0) имеем неравенства
$$
0leq f(x,y)=frac{vert xvert^alphavert yvert^beta}{(x^2+y^2)^gamma}leqfrac{(x^2+y^2)^{alpha/2}(x^2+y^2)^{beta/2}}{(x^2+y^2)^gamma}=\(x^2+y^2)^{(alpha+beta-2gamma)/2}=varphi(x,y).nonumber
$$
В силу примера выше (displaystylelim_{xrightarrow 0,yrightarrow 0}varphi(x,y)=0.), так как (alpha+beta-2gamma > 0). Применяя лемму 1, получаем, что
$$
lim_{xrightarrow 0,yrightarrow 0}f(x,y)=0.nonumber
$$
Что и требовалось доказать. (blacktriangle)
Пример 3.
Функция
$$
f(x,y)=frac{2xy}{x^2+y^2}label{ref1}
$$
не имеет предела при ((x,y)rightarrow (0,0)).
Решение.
(triangle) Рассмотрим последовательность точек ((x_n,y_n)=displaystyleleft(frac{1}{n},frac{1}{n}right)). Тогда (f(x_n,y_n)=1) и, следовательно, (displaystyle lim_{nrightarrowinfty}f(x_n,y_n)=1). Если же взять последовательность точек ((x_n’,y_n’)=displaystyleleft(frac{1}{n},-frac{1}{n}right)), то (displaystyle lim_{nrightarrowinfty}f(x_n’,y_n’)=-1).
Так как при любом (nin mathbb{N}) точки ((x_n,y_n)) и ((x_n’,y_n’)) не совпадают с точкой ((0,0)), а последовательности точек ((x_n,y_n)) и ((x_n’,y_n’)) сходятся к точке ((0,0)), то, используя определение 2 предела, получаем, что функция (f(x,y)) не имеет предела при ((x,y)rightarrow (0,0)). (blacktriangle)
Пример 4.
Функция
$$
f(x,y)=frac{2x^2y}{x^4+y^2}label{ref2}
$$
не имеет предела при ((x,y)rightarrow (0,0)).
Решение.
(triangle) Повторяя рассуждения примера 3, построим две последовательности точек ((x_n,y_n)=displaystyleleft(frac{1}{n},frac{1}{n}right)) и ((x_n’,y_n’)=displaystyleleft(frac{1}{n},frac{1}{n^2}right)). Так как ((x_n,y_n)rightarrow(0,0)) и ((x_n’,y_n’)rightarrow(0,0)), а (displaystylelim_{nrightarrowinfty}f(x_n,y_n)=0) и (displaystylelim_{nrightarrowinfty}f(x_n’,y_n’)=1), то двойной предел функции (f(x,y)) при ((x,y)rightarrow(0,0)) не существует. (blacktriangle)
Предел по множеству.
Предел (displaystylelim_{xrightarrow x^0}f(x)) был определен ранее для функции, заданной в (dot{O}(x^0)). Расширим определение предела, введя понятие предела по множеству.
Определение 3.
Пусть (M) есть подмножество области определения функции (f(x)), (x^0) — предельная точка множества (M). Будем говорить, что число (A) есть предел функции (f(x)) по множеству (M) при (xrightarrow x^0), если (forallvarepsilon > 0 exists delta > 0) такое, что (forall xin{dot S}_delta(x^0)cap M) выполнено неравенство (|f(x)-A| < varepsilon). В этом случае пишут
$$
A=lim_{xrightarrow x^0, xin M}f(x).nonumber
$$
Пусть функция двух переменных (f(x,y)) определена в проколотой окрестности (dot{O}(x_0,y_0)). Пределом функции (f(x,y)) в точке ((x_0,y_0)) по направлению (l=(cosalpha,sinalpha)) будем называть выражение
$$
lim_{trightarrow+0}f(x_0+tcosalpha, y_0+tsinleft(alpharight))=lim_{begin{array}{c}(x,y)rightarrow(x_0,y_0)\(x,y)indot O(x_0,y_0)cap L\end{array}}f(x,y),nonumber
$$
где (L) есть луч, выходящий из точки ((x_0,y_0)) в направлении (l).
Пример 5.
Показать, что предел функции (f(x,y)=displaystyle frac{2xy}{x^2+y^2}) в точке ((0,0)) по любому направлению (l=(cosalpha, sinalpha)) существует и равен (sin 2alpha).
Решение.
(triangle) Так как при (t > 0) выполнено равенство
$$
f(tcosalpha, tsinalpha)=2sinalphacosalpha=sin 2alpha,nonumber
$$
то
$$
lim_{trightarrow 0}f(tcosalpha, tsinalpha)=sin 2alpha.quadblacktrianglenonumber
$$
Пример 6.
Показать, что предел функции (f(x,y)=displaystyle frac{2x^2y}{x^4+y^2}) в точке ((0,0)) по любому направлению (l=(cosalpha, sinalpha)) существует и равен нулю.
Решение.
(triangle) При (t > 0) справедливо равенство
$$
f(tcosalpha, tsinalpha)=frac{2tcos^2alphasinalpha}{t^2cos^4alpha+sin^2alpha}.nonumber
$$
Если (sinalpha=0), то (f(tcosalpha, tsinalpha)=0) и, следовательно,
$$
lim_{trightarrow +0}f(tcosalpha, tsinalpha)=0.nonumber
$$
Если (sinalphaneq 0), то
$$
lim_{trightarrow +0}f(tcosalpha, tsinalpha)=0.quadblacktrianglenonumber
$$
Ясно, что из существования (displaystylelim_{xrightarrow x^0, xin M}f(x)) следует существование (displaystylelim_{xrightarrow x^0, xin M’}f(x)) для любого подмножества (M’subset M), для которого (x’) есть предельная точка. В частности, из существования двойного предела функции (f(x,y)) при ((x,y)rightarrow (x_0,y_0)) следует существование предела функции (f(x,y)) в точке ((x_0,y_0)) по любому направлению и равенство этих пределов двойному пределу функции (f(x,y)) при ((x,y)rightarrow (x_0,y_0)).
Из результатов примеров 4 и 6 следует, что из существования и равенства пределов по любому направлению в точке ((x_0,y_0)) не вытекает существование в этой точке предела функции.
Предел функции (f(x)) в точке (x^0in R^n) по направлению (l=(l_1,ldots,l_n)), где (l_1^2+ldots+l_n^2=1), определяется по аналогии со случаем функции двух переменных.
Повторные пределы. Бесконечные пределы.
Пусть функция двух переменных (f(x,y)) определена на множестве
$$
Pi={(x,y):quad 0 < |x-x_0| < a,quad 0 < |y-y_0| < b}.nonumber
$$
Пусть (forall xin (x_0-a, x_0+a), xneq x_0), существует (displaystylelim_{yrightarrow y_0}f(x,y)=g(x)), а функция (g(x)) определена в проколотой окрестности точки (x_0). Если существует (displaystylelim_{xrightarrow x_0}g(x)=lim_{xrightarrow x_0}lim_{yrightarrow y_0}f(x,y)), то этот предел называется повторным. Аналогично определяется другой повторный предел (displaystylelim_{yrightarrow y_0}lim_{xrightarrow x_0}f(x,y)).
Как показывают простые примеры, из существования двойного предела не следует существование повторных пределов, а из существования и равенства повторных пределов не следует существование двойного предела.
Так для функции (displaystyle f(x,y)=frac{2xy}{x^2+y^2}) примера 3 двойной предел при ((x,y)rightarrow (0,0)) не существует, но оба повторных предела равны нулю, так как
$$
lim_{xrightarrow0}f(x,y)=lim_{yrightarrow0}f(x,y)=0.nonumber
$$
Для функции
$$
f(x,y)=left{begin{array}{lc}xsinfrac1y,&yneq0,\0,&y=0,end{array}right.nonumber
$$
справедливо неравенство (|f(x,y)|leq|x|). В силу леммы 1 двойной предел этой функции при ((x,y)rightarrow (0,0)) равен нулю. Но при (xneq 0) не существует
$$
lim_{yrightarrow0}xsinfrac1y,nonumber
$$
а поэтому не существует и соответствующий повторный предел.
Бесконечные пределы для функций многих переменных определяются по той же схеме, что и для функций одной переменной. Например, (displaystylelim_{xrightarrow x^0}f(x)=+infty), если для любого числа (C > 0) число (delta > 0), что для всех (x) из проколотой окрестности (dot{O}(x^0)) точки (x^0) выполнено неравенство (f(x) > C).
Пример 7.
Показать, что
$$
lim_{xrightarrow +infty,yrightarrow +infty}(x^2+y^2)e^{-(x+y)}=0.nonumber
$$
Решение.
(triangle) Так как при (x > 0, y > 0) справедливо неравенство
$$
0leq (x^2+y^2)e^{-(x+y)}leq(x+y)^2e^{-(x+y)}nonumber
$$
и (displaystylelim_{trightarrow +infty}t^2e^{-t}=0), то (forall varepsilon > 0 existsdelta > 0) такое, что (forall t > delta) выполнено неравенство (t^2e^{-t} < varepsilon). Но тогда (forall x > displaystylefrac{delta}{2}) и (forall y > displaystylefrac{delta}{2}) справедливо неравенство
$$
0leq(x^2+y^2)e^{-(x+y)} < varepsilon.quadblacktrianglenonumber
$$
В данной публикации мы рассмотрим одно из главных понятий математического анализа – предел функции: его определение, а также различные способы решения с практическими примерами.
- Определение предела функции
-
Решение пределов
- С заданным числом
- С бесконечностью
- С неопределенностью (икс стремится к бесконечности)
- С неопределенностью (икс стремится к конкретному числу)
Определение предела функции
Предел функции – величина, к которой стремится значение данной функции при стремлении ее аргумента к предельной для области определения точке.
Запись предела:
- предел обозначается значком lim;
- под ним добавляется, к какому значению стремится аргумент (переменная) функции. Обычно, это x, но не обязательно, например: “x→1″;
- затем справа дописывается сама функция, например:
Таким образом, финальная запись предела выглядит выглядит так (в нашем случае):
Читается как “предел функции при икс, стремящемся к единице”.
x→1 – это значит, что “икс” последовательно принимает значения, которые бесконечно приближаются к единице, но никогда с ней не совпадут (ее не достигнут).
Решение пределов
С заданным числом
Давайте решим рассмотренный выше предел. Для этого просто подставляем единицу в функцию (т.к. x→1):
Таким образом, чтобы решить предел, сперва пробуем просто подставить заданное число в функцию под ним (если икс стремится к конкретному числу).
С бесконечностью
В данному случае аргумент функции бесконечно возрастает, то есть “икс” стремится к бесконечности (∞). Например:
Если x→∞, то заданная функция стремится к минус бесконечности (-∞), т.к.:
- 3 – 1 = 2
- 3 – 10 = -7
- 3 – 100 = -97
- 3 – 1000 – 997 и т.д.
Другой более сложный пример
Для того, чтобы решить этот предел, также, просто увеличиваем значения x и смотрим на “поведение” функции при этом.
- При x = 1, y = 12 + 3 · 1 – 6 = -2
- При x = 10, y = 102 + 3 · 10 – 6 = 124
- При x = 100, y = 1002 + 3 · 100 – 6 = 10294
Таким образом при “икс”, стремящемся к бесконечности, функция x2 + 3x – 6 неограниченно растет.
С неопределенностью (икс стремится к бесконечности)
В данном случае речь идет про пределы, когда функция – это дробь, числитель и знаменатель которой представляют собой многочлены. При этом “икс” стремится к бесконечности.
Пример: давайте вычислим предел ниже.
Решение
Выражения и в числителе, и а знаменателе стремятся к бесконечности. Можно предположить, что в таком случае решение будет таким:
Однако не все так просто. Чтобы решить предел нам нужно сделать следующее:
1. Находим x в старшей степени для числителя (в нашем случае – это два).
2. Аналогичным образом определяем x в старшей степени для знаменателя (тоже равняется двум).
3. Теперь делим и числитель, и знаменатель на x в старшей степени. В нашем случае в обоих случаях – во второй, но если бы они были разные, следовало бы взять наибольшую степень.
4. В получившемся результате все дроби стремятся к нулю, следовательно ответ равен 1/2.
С неопределенностью (икс стремится к конкретному числу)
И в числителе, и в знаменателе представлены многочлены, однако, “икс” стремится к конкретному числу, а не к бесконечности.
В данном случае условно закрываем глаза на то, что в знаменателе стоит ноль.
Пример: Найдем предел функции ниже.
Решение
1. Для начала подставим в функцию число 1, к которому стремится “икс”. Получаем неопределенность рассматриваемого нами вида.
2. Далее раскладываем числитель и знаменатель на множители. Для этого можно воспользоваться формулами сокращенного умножения, если они подходят, или решить квадратное уравнение.
В нашем случаем корнями выражения в числителе (2x2 – 5x + 3 = 0) являются числа 1 и 1,5. Следовательно его можно представить в виде: 2(x-1)(x-1,5).
Знаменатель (x – 1) изначально является простым.
3. Получаем вот такой видоизмененный предел:
4. Дробь можно сократить на (x – 1):
5. Остается только подставить число 1 в выражение, получившееся под пределом:
Теория пределов – раздел математического анализа. Наряду с системами линейных уравнений и диффурами пределы доставляют всем студентам, изучающим математику, немало хлопот. Чтобы решить предел, порой приходится применять массу хитростей и выбирать из множества способов решения именно тот, который подойдет для конкретного примера.
В этой статье мы не поможем вам понять пределы своих возможностей или постичь пределы контроля, но постараемся ответить на вопрос: как понять пределы в высшей математике? Понимание приходит с опытом, поэтому заодно приведем несколько подробных примеров решения пределов с пояснениями.
Ежедневная рассылка с полезной информацией для студентов всех направлений – на нашем телеграм-канале.
Понятие предела в математике
Первый вопрос: что это вообще за предел и предел чего? Можно говорить о пределах числовых последовательностей и функций. Нас интересует понятие предела функции , так как именно с ними чаще всего сталкиваются студенты. Но сначала – самое общее определение предела:
Допустим, есть некоторая переменная величина. Если эта величина в процессе изменения неограниченно приближается к определенному числу a, то a – предел этой величины.
Для определенной в некотором интервале функции f(x)=y пределом называется такое число A, к которому стремится функция при х, стремящемся к определенной точке а. Точка а принадлежит интервалу, на котором определена функция.
Звучит громоздко, но записывается очень просто:
Lim – от английского limit – предел.
Существует также геометрическое объяснение определения предела, но здесь мы не будем лезть в теорию, так как нас больше интересует практическая, нежели теоретическая сторона вопроса. Когда мы говорим, что х стремится к какому-то значению, это значит, что переменная не принимает значение числа, но бесконечно близко к нему приближается.
Приведем конкретный пример. Задача – найти предел.
Чтобы решить такой пример, подставим значение x=3 в функцию. Получим:
Кстати, если Вас интересуют базовые операции над матрицами, читайте отдельную статью на эту тему.
В примерах х может стремиться к любому значению. Это может быть любое число или бесконечность. Вот пример, когда х стремится к бесконечности:
Интуитивно понятно, что чем больше число в знаменателе, тем меньшее значение будет принимать функция. Так, при неограниченном росте х значение 1/х будет уменьшаться и приближаться к нулю.
Как видим, чтобы решить предел, нужно просто подставить в функцию значение, к которому стремиться х. Однако это самый простой случай. Часто нахождение предела не так очевидно. В пределах встречаются неопределенности типа 0/0 или бесконечность/бесконечность. Что делать в таких случаях? Прибегать к хитростям!
Неопределенности в пределах
Неопределенность вида бесконечность/бесконечность
Пусть есть предел:
Если мы попробуем в функцию подставить бесконечность, то получим бесконечность как в числителе, так и в знаменателе. Вообще стоит сказать, что в разрешении таких неопределенностей есть определенный элемент искусства: нужно заметить, как можно преобразовать функцию таким образом, чтобы неопределенность ушла. В нашем случае разделим числитель и знаменатель на х в старшей степени. Что получится?
Из уже рассмотренного выше примера мы знаем, что члены, содержащие в знаменателе х, будут стремиться к нулю. Тогда решение предела:
Для раскрытия неопределенностей типа бесконечность/бесконечность делим числитель и знаменатель на х в высшей степени.
Кстати! Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы
Еще один вид неопределенностей: 0/0
В таких случаях рекомендуется раскладывать числитель и знаменатель на множители. Но давайте посмотрим на конкретный пример. Нужно вычислить предел:
Как всегда, подстановка в функцию значения х=-1 дает 0 в числителе и знаменателе. Посмотрите чуть внимательнее и Вы заметите, что в числителе у нас квадратное уравнение. Найдем корни и запишем:
Сократим и получим:
Итак, если Вы сталкиваетесь с неопределенностью типа 0/0 – раскладывайте числитель и знаменатель на множители.
Чтобы Вам было проще решать примеры, приведем таблицу с пределами некоторых функций:
Правило Лопиталя в пределах
Еще один мощный способ, позволяющий устранить неопределенности обоих типов. В чем суть метода?
Если в пределе есть неопределенность, берем производную от числителя и знаменателя до тех пор, пока неопределенность не исчезнет.
Наглядно правило Лопиталя выглядит так:
Важный момент: предел, в котором вместо числителя и знаменателя стоят производные от числителя и знаменателя, должен существовать.
А теперь – реальный пример:
Налицо типичная неопределенность 0/0. Возьмем производные от числителя и знаменателя:
Вуаля, неопределенность устранена быстро и элегантно.
Надеемся, что Вы сможете с пользой применить эту информацию на практике и найти ответ на вопрос “как решать пределы в высшей математике”. Если нужно вычислить предел последовательности или предел функции в точке, а времени на эту работу нет от слова «совсем», обратитесь в профессиональный студенческий сервис за быстрым и подробным решением.
В этой заметке речь пойдет о пределах. С ними сталкиваются в 10-11 классах на уроках физики, когда начинают выводить частоту колебаний математического или физического маятников. В математике с пределами сталкиваются, когда учащихся знакомят с производными и дифференцированием. Поэтому эта одно из самых базовых понятий математического анализа, в котором не должно быть пробелов.
Давайте начнем с простых (условно и относительно) пределов, которые вам могут попасться на первом курсе.
С некоторыми из них практически ничего не нужно делать, а только подставить значение…
А другие становятся легче, если разделить на общий одночлен, который представляет собой старшую степень переменной.
В пределах, имеющих радикалы частенько помогает домножение на “сопряженное” выражение. Также упростит понимание таких действий тот факт, если вы хорошо помните формулы сокращенного умножения, в частности разность квадратов.
Структурировать информацию лучше сразу
При переходе к функциям более сложного вида мы обязательно столкнемся с появлением выражений, значение которых не определено. Такие выражения называют неопределенностями.
Перечислим все основные виды неопределенностей:
1) ноль делить на ноль
2) бесконечность делить на бесконечность
3) ноль умножить на бесконечность
4) бесконечность минус бесконечность
5) единица в степени бесконечность
6) ноль в степени ноль формула
7) бесконечность в степени ноль
ВСЕ ДРУГИЕ ВЫРАЖЕНИЯ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТЯМИ НЕ ЯВЛЯЮТСЯ И ПРИНИМАЮТ ВПОЛНЕ КОНКРЕТНОЕ КОНЕЧНОЕ ИЛИ БЕСКОНЕЧНОЕ ЗНАЧЕНИЕ.
Раскрывать неопределенности позволяет:
● упрощение вида функции (преобразование выражения с использованием формул сокращенного умножения, тригонометрических формул, домножением на сопряженные выражения с последующим сокращением и т.п.);
● использование замечательных пределов;
● применение правила Лопиталя;
● использование замены бесконечно малого выражения ему эквивалентным (использование таблицы эквивалентных бесконечно малых).
Самым мощным методом является правило Лопиталя, однако и оно не во всех случаях позволяет вычислить предел. К тому же напрямую оно применимо только к первому и второму из перечисленных видов неопределённостей, то есть отношениям, и чтобы раскрыть другие типы, их надо сначала привести к одному из этих.
Правила Лопиталя – очень мощный метод, позволяющий быстро и эффективно устранить указанные неопределенности. Если числитель и знаменатель являются бесконечно малыми или бесконечно большими одновременно, то можно посчитать отношениях производных этих функций. При дифференцировании числителя и знаменателя значение предела не меняется.
Иногда приходится применять правило Лопиталя последовательно несколько раз (делать несколько шагов), если от неопределенности не удается избавиться на первом шаге.Также для вычисления пределов часто используется разложение выражений, входящих в исследуемую неопределённость, в ряд Тейлора в окрестности предельной точки.
Для раскрытия неопределённостей видов 0^0, 1^∞, ∞^0 пользуются следующим приёмом: находят предел (натурального) логарифма выражения, содержащего данную неопределённость. В результате вид неопределённости меняется. После нахождения предела от него берут экспоненту.
Для раскрытия неопределённостей типа ∞/∞ используется следующий алгоритм:
● Выявление старшей степени переменной;
● Деление на эту переменную как числителя, так и знаменателя.Для раскрытия неопределённостей типа 0/0 существует следующий алгоритм:
● Разложение на множители числителя и знаменателя;
● Сокращение дроби.Для раскрытия неопределённостей типа ∞ – ∞ иногда удобно применить следующее преобразование:
● f(x) – g(x) = 1/ (1/f(x) ) – 1/(1/g(x)) = (1/g(x) – 1/f(x))/( (1/g(x)) * (1/f(x)) )
Данный вид неопределённостей может раскрываться с использованием асимптотических разложений уменьшаемого и вычитаемого, при этом бесконечно большие члены одного порядка должны уничтожаться.
При раскрытии неопределённостей также применяются замечательные пределы и их следствия.
Ещё немного примеров для закрепления материала
В пределах могут быть и суммы вместо функций. Подумайте какой подвох в следующем пределе ? Правильно ли получен ноль ?
Вы еще думаете, что пределы – это просто? А как насчет предела с параметром?
Интересная задачка по математике с параметрическим интегралом.
Чему равен предел lim[ I(a) ] при a → 0 если в качестве I(a) выступает интеграл: I(a) = Int( x⁵ ⋅ ( cos(a²x) + sin(5a²x) )^(x/a²) ) dx
в пределах от 2^a до 2^(a+1).
Так как предел считается от параметра, а параметр не зависит от переменной интегрирования, то вполне законно пронести предел внутрь выражения и применить его только к той части, которая представляет наибольшую сложность. Аппроксимация сводит выражение ко второму замечательному пределу. А дальше дело за аккуратными вычислениями интегралов по частям. Придумали другой способ? Напишите в комментариях.
Рассмотрим ещё один сложный предел, для которого вам не помогут табличные бесконечно малые функции в силу их небольшой точности
Интересный предел на базе второго замечательного предела.
Задача: вычислить предел lim(1/n + exp(-1/n))^(n²) при n → ∞
Пределы на базе второго замечательного могут быть очень запутанные. Приведу вам ещё один пример. Что может быть интереснее, чем посидеть зимним вечером за математическим анализом с чашечкой кофе? 🙂
Задание: найти предел
Естественно, интересно решить это аналитически. Потому что вбивать в математические пакеты сможет любой человек. Мы видим, что у нас одна зависящая от x функция возводится в степень другой зависимой от x функции. Уже это должно нам намекнуть “а не второй замечательный предел у нас тут спрятался?”
Конечно же он! Только нужно подойти к нему. Делаем искусственный прием, чтобы отсечь единичку от дроби, а оставшуюся часть заменить на некоторую переменную. Я назвал её t, но можно называть как угодно. Сразу же нужно посмотреть к чему будет стремиться данная переменная, при стремлении x —> 1. Видим, что стремление t происходит в бесконечность, а значит мы уже можем определиться с формой записи второго замечательного предела, под который будем подгонять наши преобразования.
Так как мы пытаемся перейти к t, в степени, в косинусе у нас находится голенькое x, то нам придется выразить его из предшествующей замены переменных. Получается квадратное уравнения, которое дает два корня. Эта неоднозначность не должна вас смущать, так как корень подходит только один, причем положительный для x, т.к. x —> 1 (значит x > 0)
Далее несколько преобразований приводят нас к тому, что у нас получается е в некоторой степени, лимит (предел) которой нам предстоит найти. Но степень оказывается тоже с неопределенностью в знаменателе 0 * infinity. Тогда мы искусственно перебрасываем лишнюю переменную в числитель. Применяем правило Лопиталя-Бернулли (предел отношений функций равен пределу отношения производных этих функций). И у нас получается что-то очень похожее на первый замечательный предел. Но на самом деле уже сюда достаточно подставить t = infinity и получить конечный ответ.
Решение полное будет выглядеть так:
Под вторым замечательным пределам также могут скрывать тригонометрические функции, которые также усложняют жизнь, потому что студенты часто пытаются разрешить их простейшими преобразованиями или разложением в ряд, что не всегда кончается успехом.
Например задание:
Интересный предел. Сложность в том, чтобы вспомнить универсальную тригонометрическую подстановку, затем не побояться её подставить и сделать правильную замену переменных, чтобы выделить второй замечательный предел.
Есть и задачи, где можно применить первый замечательный предел
Очередная интересная задача на нахождение предела. Не особо очевидное применение первого замечательного предела. Конечно же применение правила Бернулли — Лопиталя, возможно, упростило бы нахождение ответа, но разве ценителям математики интересны простые пути? 🙂
На сегодня закончим, ведь тут итак есть над чем задуматься. А с каким самым сложным пределом сталкивались вы на занятиях математикой? Расскажите об этом в комментариях!
Еще много полезного и интересного вы сможете найти на ресурсах:
Репетитор IT mentor в VK
Репетитор IT mentor в Instagram
Physics.Math.Code в контакте (VK)
Physics.Math.Code в telegram
Physics.Math.Code в YouTube
bold{mathrm{Basic}} | bold{alphabetagamma} | bold{mathrm{ABGamma}} | bold{sincos} | bold{gedivrightarrow} | bold{overline{x}spacemathbb{C}forall} | bold{sumspaceintspaceproduct} | bold{begin{pmatrix}square&square\square&squareend{pmatrix}} | bold{H_{2}O} | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Подпишитесь, чтобы подтвердить свой ответ
Подписаться
Войдите, чтобы сохранять заметки
Войти
Номер Строки
Примеры
-
lim_{(x,y)to (3,3)}(frac{x-y}{sqrt{x}-sqrt{y}})
-
lim_{(x,y)to (0,0)}(frac{x^2+y^2}{sqrt{x^2+y^2+1}-1})
-
lim_{(x,y)to (0,0)}(frac{3x^{3}y}{x^{4}+y^{4}})
-
lim_{(x,y)to (0,0)}(frac{xy}{x^{2}+y^{2}})
- Показать больше
Описание
Пошаговое решение ограничений для нескольких переменных
multi-var-calculus-limit-calculator
ru
Блог-сообщения, имеющие отношение к Symbolab
Advanced Math Solutions – Limits Calculator, L’Hopital’s Rule
In the previous posts, we have talked about different ways to find the limit of a function. We have gone over…
Read More
Введите Задачу
Сохранить в блокнот!
Войти