Svmmarivm
Haec lectio in definitionem accvratam convertit notionem valores fvnctionis ad nvmervm accedere, cvm variabilis ad pvnctvm accedit. Ostendit cvr notio intvitiva non svfficiat, pvncta accvmvlationis introdvcit, qvae indicant vbi de limite qvaerere sensvm habeat, et definitionem per epsilon et delta envntiat, qvae vt provocatio eivsqve responsio legitvr. Definitionem eivsqve negationem vt envntiata qvantificata scribit, et demonstrat limitem, si exsistit, vnicvm esse, ex solis valoribvs pvncto propinqvis pendere, et fvnctionem cogere vt prope id pvnctvm circvmscripta maneat signvmqve servet. Problemata delta constrvvnt pro fvnctionibvs polynomialibvs, radicibvs et qvotientibvs, ostendvnt qvosdam limites non exsistere, et maximvm delta qvaervnt qvod dato epsilon respondet.
Proposita discendi
- Notionem limitis fvnctionis in pvncto explicare eamqve a valore fvnctionis in eodem pvncto distingvere.
- Definitionem limitis per epsilon et delta envntiare, postvlatvm ivstificare vt pvnctvm sit pvnctvm accvmvlationis dominii, et definitionem eivsqve negationem qvantificatoribvs scribere.
- Ex definitione valorem limitis fvnctionvm algebraicarvm simplicivm demonstrare, pro vnoqvoqve epsilon delta constrvendo.
- Vnicitatem limitis eivsqve proprietates locales demonstrare, et negationem definitionis adhibere ad ostendendvm limitem aliqvem non exsistere.
Notio limitis
Algebra et geometria stvdent qvem valorem fvnctio in vnoqvoqve pvncto habeat; calcvlvs praeterea stvdet qvid valoribvs eivs fiat, cvm variabilis ad pvnctvm accedit, etiamsi in eo pvncto fvnctio definita non est. Necessitas antiqva est. Declivitas rectae qvae dvo pvncta cvrvae ivngit qvotiente differentiarvm compvtatvr; declivitas rectae tangentis esse deberet valor eivs qvotientis, cvm dvo pvncta confvndvntvr, sed tvm qvotiens est , qvi nvmervs non est. Eodem modo velocitas media corporis moti est qvotiens spatii confecti et temporis consvmpti, et velocitas in instanti est id qvo is qvotiens tandem pervenit, cvm tempvs consvmptvm ad nihilvm redigitvr. Vtroqve in casv de valoribvs fvnctionis qvaeritvr prope pvnctvm vbi definita non est.
Exemplvm simplex rem ostendit. Fvnctio qvae seqvitvr in definita non est, qvia ibi denominator eivs evanescit; tamen valores eivs in pvnctis prope sitis prope svnt:
Ratio est qvod, pro , nvmerator in factores resolvitvr et qvotiens valet ; delineatio ipsivs est recta cvm foramine in pvncto . Dicitvr igitvr limitem ipsivs , cvm ad tendit, esse , et scribitvr:
Atqvi sententia «valores ad accedvnt» vt definitio non svfficit, dvabvs de cavsis. Prima est qvod accedere non svfficit: cvm a ad transit, valor ipsivs etiam ad accedit, qvia propivs ad est qvam , et tamen limes non est. Qvod nvmervm distingvit est qvod valores ipsivs ei qvam proxime libet accedvnt, non solvm propivs qvam antea. Altera cavsa est qvod tabvla nvmervm finitvm pvnctorvm examinat, et fvnctio inter ea aliter se gerere potest: fvnctio valet in , in et in omnibvs pvnctis formae , et tamen limitem in non habet, qvia inter ea pvncta inter et oscillat; problema propositvm 3 id pro eodem argvmento demonstrat. Qvod si ita est, definitio de omnibvs pvnctis propinqvis simvl loqvi debet et nvmeris figere qvid significet «qvam proxime libet». Instrvmenta ad hoc svnt valor absolvtvs, qvi distantias metitvr, et inaeqvalitas triangvlaris, in lectione de recta reali tractata.
Pvncta accvmvlationis
Anteqvam limes definiatvr, accvrativs dicendvm est in qvibvs pvnctis de eo qvaerere sensvm habeat. Pvnctvm ad dominivm fvnctionis pertinere non necesse est, vt exemplvm svpra ostendit; sed pvncta dominii esse debent qvam proxime libet ad , qvia aliter nvlli valores fvnctionis observandi essent.
Sit copia nvmerorvm realivm. Nvmervs realis est pvnctvm accvmvlationis copiae , si omne intervallvm apertvm centrvm habens aliqvod elementvm copiae a diversvm continet:
Elementvm copiae qvod pvnctvm accvmvlationis copiae non est pvnctvm solitarivm copiae appellatvr.
Exempli gratia, est pvnctvm accvmvlationis copiae , qvae est dominivm fvnctionis exempli, qvamvis ad eam non pertineat. Omne pvnctvm intervalli clavsi est pvnctvm accvmvlationis intervalli aperti , terminis inclvsis. Nvmervs est pvnctvm accvmvlationis copiae nvmerorvm cvm natvrali, qvia per proprietatem Archimedeam pro omni est nvmervs natvralis cvm . Contra, copia nvlla pvncta accvmvlationis habet: intervallvm centri et radii ad svmmvm vnvm nvmervm natvralem continet; si , nvllvm nvmervm natvralem a diversvm continet, et si , intervallvm radii iam nvllvm continet. Condicio essentialis est; sine ea omne elementvm copiae esset pvnctvm accvmvlationis copiae , qvia qvodqve intervallvm centrvm habens ipsvm continet.
Definitio limitis
His notionibvs definitio dari potest. Sententia « est qvam proxime libet ad » sic convertitvr: pro vnaqvaqve distantia , qvamvis parva, valores ipsivs minvs qvam ab distant, dvmmodo satis prope sit, id est minvs qvam certa distantia , neqve aeqvalis .
Sint fvnctio realis in copia nvmerorvm realivm definita, pvnctvm accvmvlationis copiae et nvmervs realis. Dicitvr esse limes ipsivs , cvm ad tendit, et scribitvr , si pro omni exsistit tale vt omne copiae qvod condicioni satisfacit etiam condicioni satisfaciat:
Geometrice condicio dicit pvnctvm delineationis in fascia horizontali esse inter rectas et comprehensa; condicio dicit in intervallo centri et radii esse, neqve esse eivs centrvm. Definitio vt lvdvs inter dvas personas legi potest: prima proponit , radivm fasciae circa , tam angvstae qvam velit; altera respondere debet tali vt portio delineationis svpra intervallvm perforatvm radii sita intra fasciam maneat. Limes est , si altera persona omnibvs provocationibvs respondere potest.
Fvnctio valet in omni , et in ei de indvstria tribvitvr valor qvi cvm ceteris non congrvit: . Videtvr qvomodo dvabvs provocationibvs respondeatvr pro limite in pvncto .
Demonstratio
Fvnctio in tota recta definita est. Prope valores eivs propinqvi svnt nvmero , praeter valorem in , qvi seorsvm manet.
Prima provocatio: . Valores ipsivs manere debent in fascia qvae a ad patet.
Pro positivis a diversis condicio aeqvivalet ei qvod inter et est. Intervallvm respectv symmetricvm non est: terminvs dexter propior est. Respondetvr minore dvarvm distantiarvm.
Omne qvod a minvs qvam distat, neqve est , condicioni satisfacit: portio delineationis svpra intervallvm perforatvm in fascia manet. Pvnctvm extra fasciam est, sed nihil refert, qvia definitio exclvdit.
Provocatio severior, , minorem responsionem exigit. Generatim pro svfficit , qvod tam parvvm fit qvam libet, cvm tale est: ab pendet.
Exemplvm tres notas definitionis ostendit qvas prae ocvlis habere convenit. Primvm, ab pendet, et generatim etiam a pvncto ; si provocationi respondet, qvilibet nvmervs positivvs eo minor etiam respondet, ita vt vnvm invenire svfficiat, neqve maximvm reqviratvr. Deinde, valor fvnctionis in , si exsistit, nihil confert: condicio evm exclvdit, ideoqve limes ipsivs in est , qvamvis valeat . Postremo, sola pvncta dominii nvmerantvr; cetera non examinantvr.
Demonstratvr . Dato , efficiendvm est vt . Expressio simplificatvr et relationem svam cvm ostendit:
Svfficit igitvr vt , id est vt . Respondetvr : si , tvm . Eodem modo pro fvnctione constanti qvodlibet respondet, qvia ; et pro fvnctione identica respondet , qvia condicio postvlata, , eadem est ac qvae svpponitvr. Ergo:
Methodvs exempli est generalis: ita scribitvr vt factor appareat, et reliqvvm circvmscribitvr. Cvm reliqvvm constans non est, circvmscribitvr restringendo antea ad valorem fixvm, exempli gratia ; haec est ars exempli qvod seqvitvr.
Demonstratvr . Sit .
Demonstratio
Differentia qvadratorvm in factores resolvitvr; apparet factor , qvi parvvs reddetvr, mvltiplicatvs per factorem qvi ab pendet.
Si postvlatvr , tvm inter et est, et factor secvndvs per circvmscribitvr.
Hac restrictione posita, svfficit praeterea vt . Eligitvr vt minor dvorvm nvmerorvm, vt ambae condiciones impleantvr.
Si , tvm et ; inde seqvitvr inaeqvalitas postvlata.
Limes initii lectionis eodem modo demonstratvr, cvm observatione qva saepe vtemvr: cvm definitio pvnctvm non examinet, expressionem ipsivs in pvnctis a diversis simplificare licet. Pro qvotiens valet , et tvm ; respondet . Factorem tollere legitimvm est propterea qvod in definitione nvmqvam valet .
Definitio vt envntiatvm qvantificatvm
Definitio limitis est envntiatvm tribvs qvantificatoribvs alternis constans: pro omni exsistit , pro omni . Strvctvra eivs logica est envntiatorvm qvae logica praedicatorvm stvdet, et eam tractare scire dimidivm laboris cvm limitibvs est. Dvo consectaria ex ea flvvnt.
Prima est qvod ordo qvantificatorvm refert. In definitione eligitvr postqvam cognitvm est, ideoqve ab eo pendere potest. Si primvm et deinde scriberetvr, vnvm idemqve omnibvs simvl servire deberet, qvae assertio mvlto fortior est, qvam problema propositvm 4 notis propriis definire ivbet.
Altera est qvod negatio definitionis regvlis negationis qvantificatorvm obtinetvr: negatio «pro omni» est «exsistit aliqvod... qvod non», et negatio «exsistit» est «pro omni... non». Sic obtinetvr qvid significet limitem non esse.
Sint fvnctio in definita, pvnctvm accvmvlationis copiae et nvmervs realis. Nvmervs non est limes ipsivs , cvm ad tendit, si et solvm si exsistit tale vt pro omni sit aliqvod copiae cvm et . Negatio introrsvm fertvr, qvantificator post qvantificatorem, donec implicationem attingat.
Demonstratio
Tota definitio negatvr.
Negatio envntiati vniversalis est exsistentia casvs in qvo deficit.
Negatio envntiati exsistentialis est omnes casvs deficere.
Rvrsvs envntiatvm vniversale negatvr.
Implicatio falsa est si et solvm si antecedens eivs vervm est et conseqvens falsvm; et negatio ipsivs est , per trichotomiam.
Lvdi verbis, limes non est, si prima persona provocationem habet cvi nvlla responsio svfficit: qvamvis parvvm sit propositvm, est pvnctvm intervalli perforati cvivs valor e fascia exit. Ad ostendendvm fvnctionem in limitem non habere, ostendendvm est nvllvm nvmervm realem limitem esse, vt fit in problemate solvto 4.
Proprietates fvndamentales
Notatio de limite vno loqvitvr, qvasi vnicvs nvmervs sit. Id demonstrationem exigit: dvos nvmeros diversos definitioni simvl satisfacere non posse. Hic intervenit postvlatvm vt sit pvnctvm accvmvlationis dominii. Qvod si non esset, exsisteret tale vt nvllvm dominii condicioni satisfaceret; semper eo respondendo, implicatio definitionis pro omni vera esset, qvia antecedens eivs nvmqvam impleretvr, et omnis nvmervs limes esset.
Sint fvnctio in definita et pvnctvm accvmvlationis copiae . Si et , tvm . Ratiocinatio fit per redvctionem ad absvrdvm: ponitvr limites diversos esse, exempli gratia , et eligitvr tam parvvm vt fasciae radii circa et circa se non tangant.
Demonstratio
Ponamvs , et sit dimidivm distantiae inter vtrvmqve; positivvm est.
Fasciae radii circa et circa nvlla pvncta commvnia habent, et definitio ad vtrvmqve limitem eo adhibetvr: obtinentvr dvae responsiones, et , qvae generatim diversae svnt.
Vt ambae condiciones simvl valeant, minor dvorvm radiorvm svmitvr. Cvm sit pvnctvm accvmvlationis copiae , intervallvm perforatvm radii aliqvod dominii continet.
Pro eo ambae inaeqvalitates valent: valor in ambabvs fasciis simvl esset.
Per inaeqvalitatem triangvlarem distantia inter et minor esset qvam , qvae est ipsa ea distantia: contradictio. Ergo esse non potest ; eodem modo esse non potest , et per trichotomiam .
Lemma qvod seqvitvr observationem formaliter exprimit qva qvotientem simplificare licvit: limes in ex solis valoribvs fvnctionis prope pendet, non ex eo qvem in svmit neqve ex iis procvl ab eo.
Sint et fvnctiones in definitae, pvnctvm accvmvlationis copiae et tale vt pro omni copiae cvm . Si , tvm . Svfficit responsionem svmere qvae pro valet et, si opvs est, eam vsqve ad minvere.
Demonstratio
Sit . Ex hypothesi exsistit responsio pro .
Minor svmitvr inter eam responsionem et radivm in qvo fvnctiones congrvvnt.
Si ad pertinet et , tvm , qvia , et in fascia est, qvia .
Dvae proprietates qvae seqvvntvr dicvnt limitem fvnctioni prope pvnctvm condiciones imponere. Prima eam cogit circvmscriptam manere; altera, signvm limitis habere, cvm is a nihilo differt. Ambae obtinentvr definitionem adhibendo cvm antea electo, et instrvmenta ervnt ad regvlas prodvcti et qvotientis demonstrandas in lectione de algebra limitvm.
Sint fvnctio in definita, pvnctvm accvmvlationis copiae et . Tvm exsistit tale vt pro omni copiae cvm valeat . Si praeterea , exsistit tale vt pro iisdem ipsvm signvm ipsivs habeat et . Vtraqve assertio est definitio ad provocationem certam adhibita: pro prima et pro altera.
Demonstratio
Cvm definitio dat tale vt valores ipsivs ab minvs qvam distent.
Per inaeqvalitatem triangvlarem valor absolvtvs ipsivs non excedit valorem ipsivs avctvm ea distantia.
Si , cvm , qvod positivvm est, definitio alivd dat, et in intervallo centri et radii manet.
Si , terminvs sinister est , qvi positivvs est; si , terminvs dexter est , qvi negativvs est. Vtroqve in casv signvm ipsivs habet et longivs a abest qvam .
Definitione valor cvivslibet limitis demonstrari potest, sed labor cvm complexitate fvnctionis crescit. Lectio de algebra limitvm ex hac regvlas demonstrat pro svmma, prodvcto, qvotiente, potentiis et radicibvs, qvae plerosqve limites compvtare sinvnt, qvin semper rvrsvs qvaerendvm sit.
Problemata solvta
Problemata difficvltate crescvnt: tria prima constrvvnt pro polynomio, radice et qvotiente, qvodqve svo modo factorem circvmscribendi qvi comitatvr; qvartvm negatione definitionis ostendit limitem aliqvem non exsistere; vltimvm maximvm qvaerit qvod datae provocationi respondet.
Ex definitione demonstrare .
Solvtio
Sit . Cvm sit radix polynomii , id factorem habet.
Radivs antea ad restringitvr: tvm inter et est, et factor secvndvs circvmscribitvr.
Hac restrictione posita svfficit vt ; eligitvr minor dvorvm radiorvm.
Si , ambae condiciones implentvr, et inaeqvalitas postvlata seqvitvr.
Ex definitione demonstrare , vbi fvnctio in definita est.
Solvtio
Sit . Vt appareat, mvltiplicatvr et dividitvr per expressionem conivgatam, , qvae positiva est.
Denominator saltem est, qvia ; hac vice radivm restringere non opvs est, qvia margo in toto dominio valet.
Svfficit igitvr vt .
Si et , inaeqvalitas postvlata obtinetvr. Sola pvncta dominii examinantvr: negativa, in qvibvs radix definita non est, non nvmerantvr, qvamvis prope sint, si magnvm est.
Ex definitione demonstrare , vbi fvnctio in definita est.
Solvtio
Sit . Differentia ad commvnem denominatorem redvcitvr.
Nvnc factor qvi comitatvr in denominatore est, et prohibendvm est ne is ad accedat. Si , tvm , et denominator maior est qvam .
Hac restrictione posita qvotiens minor est qvam , et svfficit vt haec qvantitas minor sit qvam .
Si , ambae condiciones implentvr. Sine restrictione praevia methodvs deficeret: prope qvotiens sine margine crescit.
Fvnctio signi, in definita, valet in positivis et in negativis. Demonstrare eam limitem non habere, cvm ad tendit.
Solvtio
Pvnctvm est pvnctvm accvmvlationis dominii. Ostendendvm est nvllvm nvmervm realem limitem esse; per negationem definitionis svfficit pro vnoqvoqve provocationem invenire cvi nvllvm respondeat. Proponitvr pro omnibvs .
Sit qvodlibet. Intervallvm perforatvm radii nvmervm positivvm et negativvm continet, in qvibvs fvnctio valet et .
Distantia inter et est ; per inaeqvalitatem triangvlarem distantiae ipsivs ab his dvobvs valoribvs svmmam saltem efficivnt.
Inde seqvitvr alteram dvarvm distantiarvm saltem esse: si ambae minores essent qvam , svmma earvm minor esset qvam .
Ita pro vnoqvoqve provocatio responsionem non habet: nvlla fascia latitvdinis simvl valores et continet, oris exclvsis. Fvnctio in limitem non habet.
Pro fvnctione in pvncto , cvm et provocatione , maximvm determinare qvod provocationi respondet.
Solvtio
Condicio significat inter et esse.
Prope nvmeri positivi svnt, et condicio aeqvivalet ei qvod inter radices qvadratas terminorvm est.
Distantiae ipsivs a terminis diversae svnt: parabola ad dextram ipsivs celerivs ascendit, et terminvs dexter propior est.
Intervallvm centri et radii in intervallo invento contineri debet; radivs eivs minorem dvarvm distantiarvm excedere non potest, qvae provocationi respondet.
Nvllvs radivs maior svfficit: si , pvnctvm a minvs qvam distat, et in eo distantia ipsivs a est exacte , qvae non est minor qvam .
Problemata proposita
Problemata difficvltate crescvnt: dvo prima, aliis polynomiis, artem radii restringendi repetvnt; tertivm negationem definitionis ad fvnctionem qvae oscillat adhibet; qvartvm examinat qvid fiat si ordo qvantificatorvm invertitvr; vltimvm fvnctionem stvdet qvae in vno tantvm pvncto limitem habet. Vnvmqvodqve indicivm habet, qvod aperire convenit solvm postqvam problema temptatvm est.
Ex definitione demonstrare .
Indicivm
Resolve in factores: radicem habet. Restringe radivm ad et altervm factorem circvmscribe in intervallo qvod a ad patet.
Responsvm
Cvm et, si , tvm , respondet:
Ex definitione demonstrare .
Indicivm
Vtere factorizatione differentiae cvborvm, , et factorem secvndvm circvmscribe, cvm inter et est.
Responsvm
Si , tvm , ita vt respondeat:
Demonstrare fvnctionem , in definitam, limitem non habere, cvm ad tendit.
Indicivm
Methodvm problematis solvti 4 seqvere. In omni intervallo perforato centri svnt pvncta in qvibvs fvnctio valet et pvncta in qvibvs valet : qvaere formae et , cvm natvrali satis magno.
Responsvm
Pro vnoqvoqve nvllvm provocationi respondet, qvia pro magno dvo pvncta qvae seqvvntvr a minvs qvam distant, et in iis fvnctio valet et :
Solvtio explicata
Solvtio
Sint nvmervs realis et . Per proprietatem Archimedeam exsistit nvmervs natvralis cvm ; tvm dvo pvncta qvae seqvvntvr positiva svnt et minora qvam .
In primo est angvlvs cvivs sinvs est ; in altero, angvlvs cvivs sinvs est .
Vt in problemate solvto 4, distantiae ipsivs ab et ab svmmam saltem efficivnt, et altera earvm saltem est. Provocatio responsionem non habet, pro nvllo .
Sint fvnctio in definita, pvnctvm accvmvlationis copiae et nvmervs realis. Demonstrare envntiatvm qvod seqvitvr, qvod ex definitione limitis oritvr dvobvs primis qvantificatoribvs permvtatis, vervm esse si et solvm si valet in omnibvs pvnctis copiae alicvivs intervalli perforati centri . Satisfacitne ei fvnctio in cvm ?
Indicivm
Si nvmervs non negativvs minor est qvam omne , est : aliter ipse esset qvo non minor est.
Responsvm
Fixo envntiati, qvodqve intervalli perforati condicioni satisfacit pro omni , ergo ; conversa immediata est. Fvnctio ei in non satisfacit, qvamvis limes eivs ibi sit , qvia in nvllo intervallo constans est:
Solvtio explicata
Solvtio
Ponamvs envntiatvm vervm esse, et sit radivs qvem affirmat. Svmamvs copiae cvm ; inaeqvalitas pro omni positivo valet.
Si positivvm esset, svmi posset , et inaeqvalitas diceret nvmervm se ipso minorem esse. Ergo est , et .
Vice versa, si valet in pvnctis copiae intervalli perforati radii , idem pro omni svfficit, qvia distantia est .
Fvnctio non valet in vllo pvncto a diverso prope id sito, ita vt envntiato non satisfaciat, qvamvis definitioni limitis satisfaciat. Envntiatvm inversvm non est alivs modvs idem dicendi, sed assertio mvlto fortior.
Fvnctio qvae seqvitvr valet in rationalibvs et in irrationalibvs. Demonstrare limitem eivs in esse , et eam in nvllo pvncto limitem habere.
Indicivm
In observa in omnibvs casibvs. In propone provocationem et vtere eo qvod in omni intervallo svnt rationales et irrationales, vt in lectione de recta reali demonstratvm est: irrationalis propinqvvs cogit prope esse, et rationalis propinqvvs, prope .
Responsvm
In respondet . In , si limes esset, irrationalis et rationalis intervalli perforati radii simvl darent dvas inaeqvalitates qvae seqvvntvr, qvae inter se repvgnant:
Solvtio explicata
Solvtio
In : in rationalibvs , et in irrationalibvs ; vtroqve in casv distantia ipsivs ab non excedit distantiam ipsivs ab , et respondet .
Sit et ponamvs esse limitem in . Cvm est qvod respondet, idqve, si opvs est, ad minvitvr.
In intervallo perforato radii est irrationalis , in qvo valet : limes prope manet.
Est etiam rationalis , in qvo valet . Cvm ab minvs qvam distet, valor eivs absolvtvs maior est qvam .
Per inaeqvalitatem triangvlarem simvl minor et maior esset qvam : contradictio. In limes non est.