ملخص
يحوّل هذا الدرس إلى تعريف دقيق فكرةَ أن قيم دالة تقترب من عدد عندما يقترب المتغير من نقطة. ويبيّن لماذا لا تكفي الفكرة الحدسية، ويقدّم نقاط التراكم، التي تدل على المواضع التي يكون فيها للسؤال عن النهاية معنى، ويصوغ تعريف إبسيلون-دلتا، الذي يُقرأ على أنه تحدٍّ والرد عليه. ويكتب التعريف ونفيه عبارتين مكمّمتين، ويبرهن أن النهاية، إن وُجدت، وحيدة، وأنها لا تتوقف إلا على القيم القريبة من النقطة، وأنها تُلزم الدالة بأن تبقى محدودة وأن تحفظ إشارتها قرب تلك النقطة. وتبني المسائل الدلتا لدوال كثيرات حدود وجذور وخوارج قسمة، وتبرهن أن بعض النهايات غير موجودة، وتبحث عن أكبر دلتا يردّ على إبسيلون معطى.
أهداف التعلم
- أن يشرح فكرة نهاية دالة عند نقطة وأن يميّزها من قيمة الدالة عند تلك النقطة.
- أن يصوغ تعريف النهاية بإبسيلون ودلتا، وأن يعلّل اشتراط أن تكون النقطة نقطة تراكم لمجال التعريف، وأن يكتب التعريف ونفيه بالمكمّمات.
- أن يبرهن بالتعريف قيمة نهاية دوال جبرية بسيطة، بأن يبني دلتا لكل إبسيلون.
- أن يبرهن وحدانية النهاية وخواصها المحلية، وأن يطبّق نفي التعريف ليبرهن أن نهاية ما غير موجودة.
فكرة النهاية
يدرس الجبر والهندسة ما تساويه الدالة عند كل نقطة؛ ويدرس التحليل، فوق ذلك، ما يحدث لقيمها عندما يقترب المتغير من نقطة، حتى لو لم تكن الدالة معرّفة عند تلك النقطة. والحاجة إلى ذلك قديمة. فميل المستقيم الذي يصل بين نقطتين من منحنى يُحسب بخارج قسمة الفروق؛ وميل المستقيم المماس ينبغي أن يكون ما يساويه ذلك الخارج عندما تنطبق النقطتان، لكن الخارج يصبح عندئذ ، وهو ليس عددًا. وبالمثل، السرعة المتوسطة لمتحرّك هي خارج قسمة المسافة المقطوعة على الزمن المستغرق، والسرعة في لحظة هي ما يؤول إليه هذا الخارج عندما يتضاءل الزمن المستغرق حتى ينعدم. وفي الحالتين يُسأل عن قيم دالة قرب نقطة ليست معرّفة عندها.
يبيّن مثال بسيط الوضع. الدالة الآتية غير معرّفة عند ، لأن مقامها ينعدم هناك؛ ومع ذلك فإن قيمها عند النقاط القريبة من قريبة من :
والسبب أنه، من أجل ، يتحلّل البسط على الصورة ويساوي الخارج ؛ والتمثيل البياني للدالة هو المستقيم مع ثغرة عند النقطة . ويُقال عندئذ إن نهاية عندما يؤول إلى هي ، ويُكتب:
غير أن عبارة «القيم تقترب من » لا تصلح تعريفًا، لسببين. الأول أن الاقتراب لا يكفي: عندما ينتقل من إلى ، تقترب قيمة أيضًا من ، لأن أقرب إلى من ، ومع ذلك فإن ليس النهاية. وما يميّز العدد هو أن قيم تصير قريبة منه بالقدر الذي نريد، لا أقرب مما كانت فحسب. والسبب الثاني أن الجدول يفحص عددًا منتهيًا من النقاط، وقد تسلك الدالة سلوكًا آخر بينها: فالدالة تساوي عند وعند وعند جميع النقاط التي على الشكل ، ومع ذلك ليست لها نهاية عند ، لأنها تتذبذب بين تلك النقاط بين و؛ وتبرهن المسألة المقترحة 3 ذلك للدالة ، بالحجة نفسها. وإذا كان الأمر كذلك، فيجب أن يتحدث التعريف عن جميع النقاط القريبة دفعة واحدة، وأن يحدد بالأعداد معنى «قريبًا بالقدر الذي نريد». وأداتا ذلك هما القيمة المطلقة، التي تقيس المسافات، ومتباينة المثلث، وقد دُرستا في الدرس الخاص بـالمستقيم الحقيقي.
نقاط التراكم
قبل تعريف النهاية ينبغي تحديد النقاط التي يكون للسؤال عنها فيها معنى. لا يلزم أن تنتمي النقطة إلى مجال تعريف الدالة، كما يبيّن المثال الذي رأيناه للتو؛ لكن يجب أن توجد نقاط من مجال التعريف قريبة من بالقدر الذي نريد، وإلا لما وُجدت قيم للدالة نرصدها.
لتكن مجموعة من الأعداد الحقيقية. يكون العدد الحقيقي نقطة تراكم للمجموعة إذا احتوت كل فترة مفتوحة مركزها على عنصر ما من مختلف عن :
العنصر من الذي ليس نقطة تراكم للمجموعة يُسمّى نقطة معزولة من .
مثلًا، نقطة تراكم للمجموعة ، وهي مجال تعريف دالة المثال، مع أنه لا ينتمي إليها. وكل نقطة من الفترة المغلقة نقطة تراكم للفترة المفتوحة ، بما في ذلك الطرفان. والعدد نقطة تراكم لمجموعة الأعداد حيث عدد طبيعي، لأنه، بحسب خاصية أرخميدس، يوجد من أجل كل عدد طبيعي يحقق . وفي المقابل، ليست للمجموعة نقاط تراكم: فالفترة التي مركزها ونصف قطرها تحوي على الأكثر عددًا طبيعيًا واحدًا ؛ فإذا كان ، فإنها لا تحوي أي عدد طبيعي مختلف عن ، وإذا كان ، فإن الفترة التي نصف قطرها لا تحوي أيًّا منها. والشرط جوهري؛ فمن دونه يكون كل عنصر من نقطة تراكم للمجموعة ، لأن كل فترة مركزها تحوي نفسه.
تعريف النهاية
بهذه المفاهيم يمكن إعطاء التعريف. تُترجم عبارة « قريب من بالقدر الذي نريد» على النحو الآتي: من أجل كل مسافة ، مهما صغرت، تبعد قيم أقل من عن متى كان قريبًا بما يكفي من ، أي على مسافة أقل من مسافة ما ، دون أن يساوي .
لتكن دالة حقيقية معرّفة على مجموعة من الأعداد الحقيقية، و نقطة تراكم للمجموعة ، و عددًا حقيقيًا. يُقال إن هو نهاية عندما يؤول إلى ، ويُكتب ، إذا وُجد من أجل كل عدد بحيث إن كل من يحقق يحقق أيضًا :
هندسيًا، يعني الشرط أن النقطة من التمثيل البياني تقع في الشريط الأفقي المحصور بين المستقيمين و؛ ويعني الشرط أن يقع في الفترة التي مركزها ونصف قطرها ، دون أن يكون مركزها. ويمكن قراءة التعريف على أنه لعبة بين شخصين: يقترح الأول ، وهو نصف قطر شريط حول ، ضيّقًا بالقدر الذي يريد؛ وعلى الثاني أن يردّ بعدد بحيث يبقى جزء التمثيل البياني الواقع فوق الجوار المثقوب الذي نصف قطره داخل الشريط. وتكون النهاية إذا استطاع الشخص الثاني أن يردّ على جميع التحديات.
الدالة تساوي عند كل ، ويُسند إليها عند ، عن قصد، قيمة لا تنسجم مع البقية: . ونرى كيف يُردّ على تحديين للنهاية عند النقطة .
البرهان
الدالة معرّفة على المستقيم كله. وقرب تشبه قيمها ، ما عدا قيمتها عند ، التي تبقى منفردة.
التحدي الأول: . يجب أن تبقى قيم في الشريط الممتد من إلى .
من أجل قيم الموجبة المختلفة عن ، يكافئ الشرط أن يقع بين و. وهذه الفترة ليست متناظرة بالنسبة إلى : فالطرف الأيمن أقرب. ويُردّ بأصغر المسافتين.
كل يبعد عن أقل من ، دون أن يساوي ، يحقق الشرط: فجزء التمثيل البياني فوق الجوار المثقوب يبقى في الشريط. والنقطة تبقى خارج الشريط، لكن ذلك لا يهم، لأن التعريف يستبعد .
تحدٍّ أشد تطلبًا، ، يتطلب ردًا أصغر. وعمومًا، من أجل يصلح ، الذي يصغر بالقدر الذي نريد عندما يصغر : فالعدد يتوقف على .
يبيّن المثال ثلاث سمات للتعريف ينبغي استحضارها. أولًا، يتوقف على ، ويتوقف عمومًا أيضًا على النقطة ؛ وإذا ردّ على تحدٍّ، فإن كل عدد موجب أصغر منه يردّ عليه أيضًا، فيكفي إيجاد واحد، ولا حاجة إلى الأكبر. ثانيًا، قيمة الدالة عند ، إن وُجدت، لا دخل لها: فالشرط يستبعدها، ولذلك فإن نهاية عند هي مع أن تساوي . ثالثًا، لا يُحسب إلا ما ينتمي إلى مجال التعريف من قيم ؛ أما البقية فلا تُفحص.
نبرهن أن . ليكن معطى؛ يجب أن نحصل على . تُبسَّط العبارة فتظهر علاقتها بـ:
يكفي إذن أن يكون ، أي أن يكون . ونردّ بـ: إذا كان ، فإن . وبالمثل، من أجل دالة ثابتة يردّ أي ، لأن ؛ ومن أجل الدالة المحايدة يردّ ، لأن الشرط المطلوب، ، هو نفسه الشرط المفروض. إذن:
طريقة المثال هي الطريقة العامة: تُكتب بحيث يظهر العامل ، ويُحدّ الباقي من الأعلى. وإذا لم يكن الباقي ثابتًا، فإنه يُحدّ بتقييد مسبقًا بقيمة ثابتة، مثل ؛ وهذه تقنية المثال الآتي.
نبرهن أن . ليكن .
البرهان
نحلّل فرق المربعين؛ فيظهر العامل ، الذي سيُجعل صغيرًا، مضروبًا في عامل يتوقف على .
إذا اشترطنا ، فإن يقع بين و، ويكون العامل الثاني محدودًا من الأعلى بالعدد .
مع هذا التقييد، يكفي فوق ذلك أن يكون . ونختار أصغر العددين، كي يتحقق الشرطان معًا.
إذا كان ، فإن و؛ ومن ذلك تنتج المتباينة المطلوبة.
تُبرهن النهاية التي في بداية الدرس بالطريقة نفسها، ومع ملاحظة ستُستعمل كثيرًا: بما أن التعريف لا يفحص النقطة ، يمكن تبسيط عبارة عند النقاط المختلفة عن . فمن أجل ، يساوي الخارج العبارة ، وعندئذ ؛ ويردّ . واختزال العامل مشروع تحديدًا لأن لا يساوي أبدًا في التعريف.
التعريف عبارةً مكمّمة
تعريف النهاية عبارة ذات ثلاثة مكمّمات متناوبة: من أجل كل ، يوجد ، من أجل كل . وبنيتها المنطقية هي بنية العبارات التي يدرسها منطق المحمولات، وإتقان التعامل معها نصف العمل مع النهايات. وتنتج عنها نتيجتان.
الأولى أن ترتيب المكمّمات مهم. ففي التعريف يُختار بعد معرفة ، ولذلك يمكن أن يتوقف عليه. ولو كُتب أولًا ثم ، لوجب أن يصلح واحد لجميع قيم في آن واحد، وهذا ادعاء أقوى بكثير، تطلب المسألة المقترحة 4 توصيفه.
والثانية أن نفي التعريف يُحصل عليه بقواعد نفي المكمّمات: نفي «من أجل كل» هو «يوجد... لا»، ونفي «يوجد» هو «من أجل كل... لا». وهكذا يُحصل على معنى ألا يكون هو النهاية.
لتكن دالة معرّفة على ، و نقطة تراكم للمجموعة ، و عددًا حقيقيًا. لا يكون العدد نهاية عندما يؤول إلى إذا وفقط إذا وُجد بحيث إنه، من أجل كل ، يوجد عنصر من يحقق و. يُدفع النفي إلى الداخل، مكمّمًا بعد مكمّم، حتى يبلغ الاستلزام.
البرهان
ننفي التعريف كاملًا.
نفي عبارة كلية هو وجود حالة تخفق فيها.
نفي عبارة وجودية هو أن جميع الحالات تخفق.
ننفي مجددًا عبارة كلية.
يكون الاستلزام كاذبًا إذا وفقط إذا كان مقدَّمه صادقًا وتاليه كاذبًا؛ ونفي هو ، بحسب التثليث.
بلغة اللعبة، لا يكون هو النهاية إذا كان لدى الشخص الأول تحدٍّ لا يصلح له أي رد: فمهما صغر المقترح، توجد نقطة من الجوار المثقوب تخرج قيمتها من الشريط. ولبرهان أن دالة ليست لها نهاية عند يجب أن نبيّن أنه لا يوجد عدد حقيقي هو نهايتها، كما يُفعل في المسألة المحلولة 4.
الخواص الأساسية
يتحدث الترميز عن النهاية معرَّفةً، كأنها عدد واحد. وهذا يتطلب برهانًا: أن عددين مختلفين لا يمكن أن يحققا التعريف معًا. وهنا يتدخل اشتراط أن تكون نقطة تراكم لمجال التعريف. فلو لم تكن كذلك، لوُجد بحيث لا يحقق أي من مجال التعريف ؛ وبالرد دائمًا بهذا ، يكون استلزام التعريف صادقًا من أجل كل ، لأن مقدَّمه لا يتحقق أبدًا، ويكون كل عدد نهاية.
لتكن دالة معرّفة على ، و نقطة تراكم للمجموعة . إذا كان و، فإن . نستدل ببرهان بالخلف: نفرض أن النهايتين مختلفتان، مثلًا ، ونختار صغيرًا إلى حد أن الشريطين اللذين نصف قطرهما حول وحول لا يتلامسان.
البرهان
لنفرض ، وليكن نصف المسافة بينهما؛ وهو موجب.
الشريطان اللذان نصف قطرهما حول وحول ليست بينهما نقاط مشتركة، ونطبّق التعريف على كل نهاية بهذا : فنحصل على ردّين، و، مختلفين عمومًا.
لكي يتحقق الشرطان معًا نأخذ أصغر نصفي القطرين. وبما أن نقطة تراكم للمجموعة ، فإن الجوار المثقوب الذي نصف قطره يحوي عنصرًا ما من مجال التعريف.
من أجل هذا تتحقق المتباينتان: فالقيمة تقع في الشريطين معًا.
بحسب متباينة المثلث، تكون المسافة بين و أصغر من ، وهو تحديدًا تلك المسافة: تناقض. إذن لا يمكن أن يكون ؛ وبالمثل لا يمكن أن يكون ، وبحسب التثليث، .
تصوغ التوطئة الآتية صوغًا دقيقًا الملاحظة التي أتاحت تبسيط الخارج : النهاية عند لا تتوقف إلا على قيم الدالة قرب ، لا على القيمة التي تأخذها عند ولا على قيمها البعيدة عنها.
لتكن و دالتين معرّفتين على ، و نقطة تراكم للمجموعة ، و بحيث يكون من أجل كل من يحقق . إذا كان ، فإن . يكفي أن نأخذ الرد الذي يصلح للدالة ، وأن نصغّره، إن لزم، حتى .
البرهان
ليكن . بحسب الفرض، يوجد رد للدالة .
نأخذ الأصغر من هذا الرد ومن نصف القطر الذي تتطابق فيه الدالتان.
إذا كان من و، فإن ، لأن ، و تقع في الشريط، لأن .
تقول الخاصيتان الآتيتان إن النهاية تفرض شروطًا على الدالة قرب النقطة. فالأولى تلزمها بأن تبقى محدودة؛ والثانية بأن تكون لها إشارة النهاية عندما لا تكون هذه صفرًا. وكلتاهما تُحصل بتطبيق التعريف مع مختار مسبقًا، وستكونان أداتين لبرهان قاعدتي الضرب والقسمة في الدرس الخاص بـجبر النهايات.
لتكن دالة معرّفة على ، و نقطة تراكم للمجموعة ، و. عندئذ يوجد بحيث إنه، من أجل كل من يحقق ، يتحقق . وإذا كان فوق ذلك ، فإنه يوجد بحيث إنه، من أجل قيم نفسها، تكون إشارة هي إشارة و. كل ادعاء هو التعريف مطبّقًا على تحدٍّ محدد: للأول و للثاني.
البرهان
مع ، يعطي التعريف بحيث تبعد قيم عن أقل من .
بحسب متباينة المثلث، لا تتجاوز القيمة المطلقة لـ القيمة المطلقة لـ مضافًا إليها تلك المسافة.
إذا كان ، فإنه مع ، وهو موجب، يعطي التعريف آخر، وتبقى في الفترة التي مركزها ونصف قطرها .
إذا كان ، فإن الطرف الأيسر هو ، وهو موجب؛ وإذا كان ، فإن الطرف الأيمن هو ، وهو سالب. وفي الحالتين، تكون إشارة هي إشارة وتكون أبعد عن من .
بالتعريف يمكن برهان قيمة أي نهاية، لكن العمل يزداد بازدياد تعقيد الدالة. ويبرهن الدرس الخاص بجبر النهايات، انطلاقًا من هذا الدرس، قواعد المجموع والضرب والقسمة والقوى والجذور، التي تتيح حساب معظم النهايات دون العودة في كل مرة إلى البحث عن .
مسائل محلولة
تتدرج المسائل في الصعوبة: تبني الثلاث الأولى لكثيرة حدود وجذر وخارج قسمة، لكل منها طريقتها في حدّ العامل المرافق لـ من الأعلى؛ وتبرهن الرابعة بنفي التعريف أن نهاية ما غير موجودة؛ وتبحث الأخيرة عن أكبر يردّ على تحدٍّ معطى.
برهن بالتعريف أن .
الحل
ليكن . بما أن جذر لكثيرة الحدود ، فإن لها العامل .
نقيّد نصف القطر مسبقًا بـ: عندئذ يقع بين و، ويكون العامل الثاني محدودًا.
مع هذا التقييد يكفي أن يكون ؛ ونختار أصغر نصفي القطرين.
إذا كان ، يتحقق الشرطان، وتنتج المتباينة المطلوبة.
برهن بالتعريف أن ، حيث الدالة معرّفة على .
الحل
ليكن . لكي يظهر نضرب ونقسم على المرافق، ، وهو موجب.
المقام لا يقل عن ، لأن ؛ وفي هذه المرة لا حاجة إلى تقييد نصف القطر، لأن الحد الأعلى صالح على مجال التعريف كله.
يكفي إذن أن يكون .
إذا كان و، نحصل على المتباينة المطلوبة. لا تُفحص إلا قيم من مجال التعريف: فالقيم السالبة، التي لا يكون الجذر معرّفًا عندها، لا تُحسب، وإن كانت قريبة من إذا كان كبيرًا.
برهن بالتعريف أن ، حيث الدالة معرّفة على .
الحل
ليكن . نوحّد مقامي الفرق.
الآن يقع العامل المرافق لـ في المقام، ويجب منع المقام من الاقتراب من . إذا كان ، فإن ، ويكون المقام أكبر من .
مع هذا التقييد، يكون الخارج أصغر من ، ويكفي أن تكون هذه الكمية أصغر من .
إذا كان ، يتحقق الشرطان. ومن دون التقييد المسبق تخفق الطريقة: فقرب يكبر الخارج بلا حد.
دالة الإشارة، المعرّفة على ، تساوي عند الأعداد الموجبة و عند الأعداد السالبة. برهن أنه ليست لها نهاية عندما يؤول إلى .
الحل
العدد نقطة تراكم لمجال التعريف. يجب أن نبرهن أنه لا يوجد عدد حقيقي هو النهاية؛ وبحسب نفي التعريف، يكفي أن نجد، من أجل كل ، تحديًا لا يردّ عليه أي . ونقترح لجميع قيم .
ليكن أيًّا كان. يحوي الجوار المثقوب الذي نصف قطره عددًا موجبًا وعددًا سالبًا، تساوي الدالة عندهما و على الترتيب.
المسافة بين و هي ؛ وبحسب متباينة المثلث، فإن مجموع مسافتي عن هاتين القيمتين لا يقل عن .
ومن ذلك ينتج أن إحدى المسافتين لا تقل عن : فلو كانت كلتاهما أصغر من ، لكان مجموعهما أصغر من .
وهكذا، من أجل كل ، لا ردّ على التحدي : لا يوجد شريط عرضه يحوي معًا القيمتين و مع استبعاد حافتيه. فليست للدالة نهاية عند .
من أجل الدالة عند النقطة ، مع والتحدي ، عيّن أكبر يردّ على التحدي.
الحل
يعني الشرط أن يقع بين و.
قرب تكون قيم موجبة، ويكافئ الشرط أن يقع بين الجذرين التربيعيين للطرفين.
مسافتا عن الطرفين مختلفتان: فالقطع المكافئ يصعد أسرع على يمين ، والطرف الأيمن أقرب.
يجب أن تتسع الفترة التي وجدناها للفترة التي مركزها ونصف قطرها ؛ فلا يمكن أن يتجاوز نصف قطرها أصغرَ المسافتين، وهي التي تردّ على التحدي.
لا يصلح أي نصف قطر أكبر: إذا كان ، فإن النقطة تبعد عن أقل من ، والمسافة عندها بين و تساوي تمامًا ، وهي ليست أصغر من .
مسائل مقترحة
تتدرج المسائل في الصعوبة: تكرر الاثنتان الأوليان، مع كثيرات حدود أخرى، تقنية تقييد نصف القطر؛ وتطبّق الثالثة نفي التعريف على دالة تتذبذب؛ وتفحص الرابعة ما يحدث إذا قُلب ترتيب المكمّمات؛ وتدرس الأخيرة دالة ليست لها نهاية إلا عند نقطة واحدة. ولكل منها تلميح، يحسن ألا يُفتح إلا بعد محاولة حلها.
برهن بالتعريف أن .
تلميح
حلّل : لها الجذر . قيّد نصف القطر بـ وحُدَّ العامل الآخر من الأعلى على الفترة الممتدة من إلى .
الإجابة
بما أن ، وإذا كان فإن ، فإنه يردّ:
برهن بالتعريف أن .
تلميح
استعمل تحليل فرق المكعبين، ، وحُدَّ العامل الثاني من الأعلى عندما يقع بين و.
الإجابة
إذا كان ، فإن ، ولذلك يردّ:
برهن أن الدالة ، المعرّفة على ، ليست لها نهاية عندما يؤول إلى .
تلميح
اتبع طريقة المسألة المحلولة 4. ففي كل جوار مثقوب مركزه توجد نقاط تساوي الدالة عندها ونقاط تساوي عندها : ابحث عن قيم على الشكل و، حيث عدد طبيعي كبير بما يكفي.
الإجابة
من أجل كل لا يردّ أي على التحدي ، لأنه من أجل كبير تبعد النقطتان الآتيتان عن أقل من ، وتساوي الدالة عندهما و على الترتيب:
الحل المفصل
الحل
ليكن عددًا حقيقيًا و. بحسب خاصية أرخميدس يوجد عدد طبيعي يحقق ؛ وعندئذ تكون النقطتان الآتيتان موجبتين وأصغر من .
عند الأولى، يكون زاوية جيبها ؛ وعند الثانية، زاوية جيبها .
كما في المسألة المحلولة 4، فإن مجموع مسافتي عن وعن لا يقل عن ، وإحداهما لا تقل عن . فلا ردّ على التحدي ، من أجل أي .
لتكن دالة معرّفة على ، و نقطة تراكم للمجموعة ، و عددًا حقيقيًا. برهن أن العبارة الآتية، الناتجة عن تعريف النهاية بتبديل المكمّمين الأولين، تتحقق إذا وفقط إذا كانت تساوي عند جميع نقاط الواقعة في جوار مثقوب ما مركزه . هل تحققها الدالة عند مع ؟
تلميح
إذا كان عدد غير سالب أصغر من كل ، فإنه يساوي : وإلا لكان هو نفسه ليس العدد أصغر منه.
الإجابة
إذا ثُبّت الذي في العبارة، فإن كل من الجوار المثقوب يحقق من أجل كل ، إذن ؛ والعكس فوري. والدالة لا تحققها عند ، مع أن نهايتها هناك هي ، لأنها ليست ثابتة على أي فترة:
الحل المفصل
الحل
لنفرض العبارة، وليكن نصف القطر الذي تؤكد وجوده. لنأخذ من يحقق ؛ فالمتباينة تتحقق من أجل كل موجب.
لو كان موجبًا، لأمكن أخذ ، ولقالت المتباينة إن عددًا أصغر من نفسه. إذن هو يساوي ، و.
وبالعكس، إذا كانت تساوي عند نقاط الواقعة في جوار مثقوب نصف قطره ، فإن نفسه يصلح من أجل كل ، لأن المسافة تساوي .
الدالة لا تساوي عند أي نقطة قريبة من ومختلفة عنه، ولذلك لا تحقق العبارة، مع أنها تحقق تعريف النهاية. فالعبارة المقلوبة ليست طريقة أخرى لقول الشيء نفسه، بل ادعاء أقوى بكثير.
الدالة الآتية تساوي عند الأعداد الناطقة و عند الأعداد غير الناطقة. برهن أن نهايتها عند هي ، وأنه ليست لها نهاية عند أي نقطة .
تلميح
عند ، لاحظ أن في جميع الحالات. وعند ، اقترح التحدي واستعمل أن في كل فترة أعدادًا ناطقة وأعدادًا غير ناطقة، كما بُرهن في الدرس الخاص بـالمستقيم الحقيقي: فعدد غير ناطق قريب يُلزم بأن يكون قريبًا من ، وعدد ناطق قريب يُلزمه بأن يكون قريبًا من .
الإجابة
عند يردّ . وعند ، لو كان هو النهاية، لأعطى عدد غير ناطق وعدد ناطق من الجوار المثقوب الذي نصف قطره المتباينتين الآتيتين معًا، وهما متعارضتان:
الحل المفصل
الحل
عند : عند الأعداد الناطقة ، وعند غير الناطقة ؛ وفي الحالتين، لا تتجاوز مسافة عن مسافة عن ، ويردّ .
ليكن ولنفرض أن هو النهاية عند . مع يوجد يردّ، ونصغّره، إن لزم، إلى .
في الجوار المثقوب الذي نصف قطره يوجد عدد غير ناطق ، تساوي عنده : فتبقى النهاية قريبة من .
ويوجد أيضًا عدد ناطق ، تساوي عنده . وبما أن يبعد عن أقل من ، فإن قيمته المطلقة أكبر من .
بحسب متباينة المثلث، يكون أصغر من وأكبر منه معًا: تناقض. فليست هناك نهاية عند .