Краткое содержание
Это занятие доказывает первую большую теорему о функциях, непрерывных на промежутке: непрерывная функция не может перейти от одного значения к другому, не приняв всех промежуточных значений. Сначала с помощью аксиомы полноты доказывается теорема Больцано, которая гарантирует существование нуля, когда функция меняет знак; из неё следуют теорема о промежуточном значении, то, что образ промежутка есть промежуток, и то, что функция, обратная к непрерывной и строго монотонной функции, непрерывна; этот результат нужен для производной обратной функции. Теорема не говорит, где находится нуль, но метод деления отрезка пополам локализует его с любой желаемой точностью. На этом занятии теорема применяется к существованию корней уравнений, к многочленам нечётной степени и к неподвижным точкам.
Цели обучения
- Доказать теорему Больцано с помощью аксиомы полноты и вывести из неё теорему о промежуточном значении.
- Доказать, что образ промежутка при непрерывной функции есть промежуток, и вывести непрерывность функции, обратной к непрерывной и строго монотонной функции.
- Применять теорему для доказательства существования корней уравнений и локализовать их методом деления отрезка пополам.
Теорема Больцано
График функции, непрерывной на промежутке, в наглядном представлении рисуется без отрыва карандаша от бумаги; если он начинается ниже оси и заканчивается выше, он должен её пересечь. Эта интуиция нуждается в доказательстве, поскольку она зависит от действительных чисел: функция отрицательна в точке и положительна в точке , но если рассматривать только рациональные числа, она нигде не обращалась бы в нуль, поскольку число не является рациональным. Поэтому доказательство использует аксиому полноты через точную верхнюю грань.
Пусть непрерывна на и . Тогда существует точка из , такая, что . То же верно, если . Берётся точная верхняя грань точек, в которых функция отрицательна; сохранение знака из занятия о пределе и непрерывности не позволяет функции быть в ней ни отрицательной, ни положительной. Рисунок показывает множество этих точек и его точную верхнюю грань, а затем два невозможных случая.
Доказательство
Пусть есть множество тех из , для которых . Оно не пусто, так как содержит , и есть верхняя граница; по аксиоме полноты у него есть точная верхняя грань , причём .
Если , то , так как . По сохранению знака отрицательна на для некоторого , которое можно взять так, чтобы ; тогда содержит точки, большие , и не являлось бы верхней границей.
Если , то . По сохранению знака положительна на для некоторого , которое можно взять так, чтобы , так что ни одна точка этого промежутка не лежит в ; поскольку точек, больших , в нём тоже нет, число было бы верхней границей, меньшей точной верхней грани. Следовательно, , и не совпадает ни с , ни с . Второй случай сводится к первому переходом к функции .
Загрузка содержимого…