Краткое содержание
Этот урок завершает раздел о пределах и непрерывности. Он собирает в одну дедуктивную цепь то, что доказали десять уроков раздела: определение предела с помощью ε и δ и его локальные свойства, правила арифметики пределов, сведённые к трём леммам, теорему о двух милиционерах и тригонометрические пределы; односторонние пределы, пределы на бесконечности и бесконечные пределы, которые наследуют эти правила через сужение, через инверсию и через обратную величину, а вместе с ними асимптоты; и непрерывность, непрерывность элементарных функций, замечательные пределы и сравнение функций с помощью эквивалентных бесконечно малых. Урок объясняет, как раздел опирается на курс «Алгебра и геометрия I и II», принятые в котором без доказательства факты об асимптотах и непрерывности он превращает в теоремы, и как он готовит изучение производных и их приложений. В конце стоят итоговая проверка, параллельная входной, и десять задач повышенной трудности, более трудных, чем задачи уроков, каждая из которых сочетает результаты нескольких из них.
Цели обучения
- Излагать в логическом порядке определения и основные теоремы раздела, указывая, от каких более ранних результатов зависит каждая из них и какие рассуждения с помощью ε и δ используются повторно.
- Отличать то, что раздел принимает, от того, что он доказывает, и распознавать условия каждого результата, например условие предела композиции или условие замены эквивалентных.
- Связывать результаты раздела с курсом «Алгебра и геометрия I и II» и с изучением производных и их приложений.
- Решать нестандартные задачи, в которых сочетаются арифметические свойства пределов, односторонние пределы, пределы на бесконечности и бесконечные пределы, асимптоты, непрерывность, замечательные пределы и эквивалентные бесконечно малые.
Чего достиг раздел
Раздел начался с вопроса и с требования. Вопрос: что значит, что значения функции приближаются к числу, когда переменная приближается к точке. Требование: чтобы решение позволяло доказывать, а не только вычислять, и чтобы каждое рассуждение с помощью ε и δ проводилось один раз и затем использовалось повторно. Решением стало единственное определение, сформулированное в уроке о пределе функции одной действительной переменной: если есть предельная точка области определения функции , то утверждение, что предел функции в точке равен , означает следующее.
Всё остальное получено из него сведением: правила вычисления сведены к неравенству; односторонние пределы к пределам сужений; пределы на бесконечности к односторонним пределам в нуле; бесконечные пределы к нулевым пределам обратных величин; а непрерывность к равенству предела и значения.
Определение предела и его арифметические свойства
Первый урок прочитал определение как игру вызова и ответного хода, записал его как утверждение с кванторами и построил его отрицание, квантор за квантором. Используя требование, чтобы была предельной точкой области определения, он доказал единственность предела; а с помощью вызовов, выбранных заранее, доказал, что предел зависит только от значений вблизи точки, что он заставляет функцию оставаться ограниченной вблизи неё и что, если он не равен нулю, он навязывает функции свой знак. Урок об арифметических свойствах пределов упорядочил доказательства так, чтобы их можно было использовать повторно: три леммы, доказанные с помощью ε и δ, показывают, что всякая функция , удовлетворяющая вблизи оценке вида , стремится к , и каждое правило свелось к поиску такой оценки: правило линейной комбинации следует из неравенства треугольника, правило произведения из локальной ограниченности, а правило обратной величины из сохранения знака, причём лемма гарантирует, что сужение области определения не теряет предела. Отсюда последовали непосредственная подстановка в многочлены и рациональные функции, пределы корней и степеней с рациональным показателем и теорема о композиции, которая обосновывает замену переменной при условии, необходимость которого показывает контрпример: внутренняя функция не должна принимать значение своего предела вблизи точки. Урок о теореме о двух милиционерах доказал, что пределы сохраняют нестрогие неравенства, что функция, заключённая между двумя функциями, стремящимися к одному и тому же числу, тоже стремится к нему, и что произведение ограниченной функции на функцию, стремящуюся к нулю, стремится к нулю; с помощью оценки и неравенства между синусом, дугой и тангенсом он получил первый замечательный предел и его следствия.
Односторонние пределы, бесконечность и асимптоты
Урок об односторонних пределах определил их как пределы сужения функции на одну сторону от точки. Это решение избавило от всей остальной работы: уже доказанные теоремы верны для них без нового доказательства, а предел существует тогда и только тогда, когда существуют оба односторонних предела и они равны. Тот же урок впервые доказал, не вычисляя значения, что предел существует: функция, возрастающая и ограниченная сверху на промежутке, стремится на его правом конце к точной верхней грани своих значений, и это гарантирует полнота. Урок о пределах при стремлении переменной к бесконечности свёл каждый из них с помощью леммы об инверсии к одностороннему пределу в нуле и получил так поведение рациональных функций вдали от начала координат. Урок о бесконечных пределах дополнил общую схему случаем, когда значения неограниченно возрастают: лемма об обратной величине переводит их в нулевые пределы, так что правила, которые кратко записывают как «» или «», являются теоремами с условиями, а четыре неопределённости являются предупреждениями, а не результатами. Наконец, урок об асимптотах определил их через пределы, нашёл угловой коэффициент и начальную ординату невертикальной асимптоты как два предела, откуда следует, что на каждом конце есть не более одной такой асимптоты, доказал существование вертикальных асимптот у рациональных функций и упорядочил построение эскиза графика без производных; он показал также, что кривая может пересекать свою асимптоту.
Непрерывность и сравнение функций
Урок о пределе и непрерывности определил непрерывность в точке области определения, доказал, что в предельной точке она равносильна равенству предела значению, и разделил разрывы на устранимые, разрывы типа скачка и существенные. Правила арифметики пределов дали непрерывность результатов операций, а композиция непрерывных функций оказалась непрерывной без условия, которого требовала теорема о пределе композиции; отсюда следует, что предел проходит под знак непрерывной функции. Урок о непрерывности элементарных функций одним рассуждением, рассуждением о монотонных функциях, образ которых есть промежуток, доказал непрерывность экспоненты, логарифма, степеней с действительным показателем и обратных тригонометрических функций; с её помощью и с помощью неравенства он получил замечательные пределы, число как предел и неопределённость вида , а также сравнил на бесконечности показательную функцию, степени и логарифм. Урок об эквивалентных бесконечно малых и бесконечно больших прочитал все эти пределы как сравнения функций: он определил о малое , О большое и эквивалентность, доказал, что в произведении или частном каждый множитель можно заменить эквивалентным, и собрал полученные выше пределы в таблицу эквивалентных в нуле.
Что принимается, что доказывается и что остаётся
Итог раздела можно подвести так:
- Принимается одна аксиома: аксиома полноты вместе с аксиомами поля и порядка, согласно которой всякое непустое ограниченное сверху множество действительных чисел имеет точную верхнюю грань. Используются, кроме того, результаты, доказанные в курсе «Алгебра и геометрия»: неравенство между синусом, дугой и тангенсом, формулы преобразования суммы в произведение, неравенство , монотонность показательной функции и теорема о множителе.
- Доказываются факты, которые курс «Алгебра и геометрия» принимал без доказательства: вертикальные асимптоты и асимптоты на бесконечности рациональных функций, а также непрерывность рациональных, тригонометрических и обратных тригонометрических функций.
- Повторно используются пять инструментов вместо повторения рассуждений: три леммы об оценке, сохранение знака, сужение области определения (в частности, на одну сторону от точки), инверсия и обратная величина.
- На потом остаётся то, что требует большего, чем пределы: теорема о промежуточном значении и производные в следующем по порядку разделе; теорема Вейерштрасса и правило Лопиталя в третьем; многочлен Тейлора в курсе «Математический анализ II».
Рисунок ниже соединяет три участка в одну цепь. Каждый узел столбца есть определение или теорема, пронумерованные в логическом порядке и соединённые дугой с более ранними звеньями, которые использует их доказательство; вокруг расположены опоры, то есть принципы и инструменты, к которым цепь обращается снова и снова, и каждая соединена сплошной линией со звеньями, которые на неё опираются, и пунктирной со звеном, где она устанавливается, кроме тех, которые взяты из курса «Алгебра и геометрия»: они изображены кольцами. Нажатие на опору выделяет все звенья, которые её используют, а каждое звено ведёт к уроку, где оно доказывается.
Опоры цепи
- AАксиомы действительных чисел. Из курса «Алгебра и геометрия I» принимается, что действительные числа образуют полное упорядоченное поле: сложение и умножение удовлетворяют аксиомам поля, порядок удовлетворяет трихотомии и согласован с операциями, и всякое непустое ограниченное сверху множество действительных чисел имеет точную верхнюю грань. В этом модуле принимается без доказательства.
- BНаследие курса «Алгебра и геометрия». Результаты, доказанные в курсе «Алгебра и геометрия I и II»: разложение на множители выражения и степень с рациональным показателем, неравенства и при , формулы преобразования суммы в произведение и понижения степени, неравенство , монотонность и множество значений показательной функции, обратные тригонометрические функции, теорема о множителе и таблицы знаков. В этом модуле принимается без доказательства.
- CПризнак оценки. Если вблизи выполняется , где , и , то ; каждое правило сводится к поиску такой оценки. Устанавливается в: 4. Три леммы.
- DЛокальная ограниченность и знак. Если функция стремится к в точке , то вблизи выполняется ; а если , то вблизи функция имеет знак числа и . Устанавливается в: 3. Локальные свойства.
- EЗамена переменной. Если , при и вблизи , то . Устанавливается в: 8. Предел композиции.
- FСужение. Если функция стремится к в точке и есть предельная точка подмножества области определения, то сужение функции на тоже стремится к ; односторонний предел есть предел сужения, и поэтому все теоремы о пределах верны для односторонних пределов. Устанавливается в: 5. Предел сужения.
- GИнверсия. Предел функции на есть предел функции при стремлении к справа, а предел на есть такой же предел слева; поэтому все теоремы о пределах верны на бесконечности. Устанавливается в: 15. Лемма об инверсии.
- HОбратная величина. Функция стремится к тогда и только тогда, когда она положительна вблизи цели и обратная к ней величина стремится к ; поэтому правила для конечных пределов решают вопрос о бесконечных. Устанавливается в: 17. Лемма об обратной величине.
Участок 1 Определение предела и его арифметические свойства
- Определять предел в предельной точке с помощью ε и δ, записывать его и строить его отрицание как утверждение с кванторами, доказывать его единственность и его локальные свойства.
- Сводить каждое правило арифметики пределов к оценке с помощью трёх лемм и находить пределы рациональных функций, корней и степеней.
- Делать замену переменной с помощью теоремы о композиции, распознавая её условие.
- Доказывать теорему о двух милиционерах и с её помощью первый замечательный предел и его следствия.
Определение предела. Если есть предельная точка области определения функции , то предел функции в точке равен , когда ; и не равен, когда .
Доказывается в уроке: Предел функции одной действительной переменной.
Единственность предела. Если есть предельная точка области определения функции , и , то .
Использует: 1. Определение предела. Опирается на: A (Аксиомы действительных чисел). Доказывается в уроке: Предел функции одной действительной переменной.
Локальные свойства. Предел в точке зависит только от значений функции в проколотой окрестности точки ; если , то вблизи выполняется , а если к тому же , то имеет знак числа и .
Использует: 1. Определение предела. Опирается на: A (Аксиомы действительных чисел). Доказывается в уроке: Предел функции одной действительной переменной.
Три леммы. Предел функции в точке равен тогда и только тогда, когда предел выражения равен ; если вблизи , где и , то ; и сумма двух расстояний, стремящихся к нулю, стремится к нулю.
Использует: 1. Определение предела. Доказывается в уроке: Арифметические свойства пределов.
Предел сужения. Если есть подмножество области определения функции , есть предельная точка множества и , то сужение функции на тоже стремится к в точке : ответный ход, годный для , годен и для .
Использует: 1. Определение предела. Доказывается в уроке: Арифметические свойства пределов.
Арифметические свойства пределов. Если и , то стремится к , а к ; а если , то стремится к , а к .
Использует: 3. Локальные свойства, 4. Три леммы. Опирается на: C (Признак оценки), D (Локальная ограниченность и знак), F (Сужение). Доказывается в уроке: Арифметические свойства пределов.
Многочлены, корни и степени. Многочлен, а также рациональная функция, знаменатель которой не обращается в нуль в точке , имеют пределом в точке своё значение; стремится к , причём , если чётно; а если , то стремится к .
Использует: 1. Определение предела, 6. Арифметические свойства пределов. Опирается на: B (Наследие курса «Алгебра и геометрия»), C (Признак оценки), D (Локальная ограниченность и знак). Доказывается в уроке: Арифметические свойства пределов.
Предел композиции. Если , и вблизи , то ; без условия заключение может не выполняться.
Использует: 1. Определение предела. Доказывается в уроке: Арифметические свойства пределов.
Сохранение неравенств. Если вблизи , и , то ; строгое неравенство не сохраняется.
Использует: 6. Арифметические свойства пределов. Опирается на: D (Локальная ограниченность и знак). Доказывается в уроке: Теорема о двух милиционерах и тригонометрические пределы.
Теорема о двух милиционерах. Если вблизи , а и стремятся к , то и стремится к ; и произведение функции, ограниченной вблизи , на функцию, стремящуюся к , стремится к .
Использует: 4. Три леммы. Опирается на: C (Признак оценки). Доказывается в уроке: Теорема о двух милиционерах и тригонометрические пределы.
Синус и косинус. Для всех действительных и выполняются и ; следовательно, и .
Использует: 4. Три леммы. Опирается на: B (Наследие курса «Алгебра и геометрия»), C (Признак оценки). Доказывается в уроке: Теорема о двух милиционерах и тригонометрические пределы.
Первый замечательный предел. ; и при стремлении к выражение стремится к , к , а к .
Использует: 6. Арифметические свойства пределов, 10. Теорема о двух милиционерах, 11. Синус и косинус. Опирается на: B (Наследие курса «Алгебра и геометрия»), E (Замена переменной). Доказывается в уроке: Теорема о двух милиционерах и тригонометрические пределы.
Участок 2 Односторонние пределы, бесконечность и асимптоты
- Определять односторонние пределы как пределы сужений, так чтобы они наследовали все теоремы, и характеризовать предел через два односторонних предела.
- Выводить из полноты предел монотонной ограниченной функции как точную грань.
- Сводить пределы на бесконечности к односторонним пределам в нуле, а бесконечные пределы к нулевым, вместе с их правилами и неопределённостями.
- Находить асимптоты функции с помощью двух пределов, доказывать существование вертикальных асимптот рациональных функций и строить эскизы графиков без производных.
Односторонние пределы. Предел справа функции в точке есть предел в точке её сужения на точки области определения, большие чем , а предел слева есть предел сужения на меньшие; если есть предельная точка с обеих сторон, то функция имеет предел в точке тогда и только тогда, когда оба односторонних предела существуют и равны .
Использует: 1. Определение предела, 5. Предел сужения, 2. Единственность предела. Доказывается в уроке: Односторонние пределы.
Монотонные функции. Если функция возрастает и ограничена сверху на , то ; а если она возрастает и ограничена снизу, то её предел справа в точке есть точная нижняя грань её значений.
Использует: 6. Арифметические свойства пределов, 13. Односторонние пределы. Опирается на: A (Аксиомы действительных чисел), E (Замена переменной), F (Сужение). Доказывается в уроке: Односторонние пределы.
Лемма об инверсии. Предел функции на равен , если для всякого существует , такое что при ; при этом , и аналогично на с пределом слева.
Использует: 13. Односторонние пределы. Доказывается в уроке: Пределы при стремлении переменной к бесконечности.
Рациональные функции на бесконечности. Для всякого рационального функция стремится к на ; а частное двух многочленов степеней и стремится на к , если , к частному старших коэффициентов, если , и не имеет конечного предела, если .
Использует: 2. Единственность предела, 6. Арифметические свойства пределов, 7. Многочлены, корни и степени. Опирается на: D (Локальная ограниченность и знак), F (Сужение), G (Инверсия). Доказывается в уроке: Пределы при стремлении переменной к бесконечности.
Лемма об обратной величине. Функция стремится к при цели , которая есть точка, одна сторона точки или , если для всякого действительного выполняется вблизи ; это происходит тогда и только тогда, когда положительна вблизи и стремится к ; а стремится к тогда и только тогда, когда стремится к .
Использует: 1. Определение предела. Доказывается в уроке: Бесконечные пределы.
Правила с бесконечными пределами. Если вблизи и стремится к , то и стремится туда же; если стремится к , то туда же стремится , когда ограничена снизу, и , когда стремится к положительному числу или к ; а частное, числитель которого стремится к положительному числу, а знаменатель стремится к , принимая положительные значения, стремится к .
Использует: 6. Арифметические свойства пределов. Опирается на: D (Локальная ограниченность и знак), F (Сужение), G (Инверсия), H (Обратная величина). Доказывается в уроке: Бесконечные пределы.
Неограниченные монотонные. Если функция возрастает на , где действительно или , и не ограничена сверху, то стремится к слева в точке , или на , если .
Использует: 17. Лемма об обратной величине. Доказывается в уроке: Бесконечные пределы.
Композиция с бесконечным пределом. Если стремится к при цели , а стремится к при стремлении к , то стремится к при цели без всякого условия на значения ; и то же верно, если стремится к или к .
Использует: 15. Лемма об инверсии, 17. Лемма об обратной величине. Доказывается в уроке: Бесконечные пределы.
Нахождение асимптоты. Прямая является асимптотой графика функции на , то есть стремится к , тогда и только тогда, когда и ; следовательно, на каждом конце есть не более одной невертикальной асимптоты.
Использует: 2. Единственность предела, 6. Арифметические свойства пределов, 16. Рациональные функции на бесконечности. Опирается на: G (Инверсия). Доказывается в уроке: Асимптоты и методы построения графиков.
Вертикальные асимптоты. Если есть корень многочлена и , то прямая является вертикальной асимптотой графика функции , и с каждой стороны от функция стремится к или к в зависимости от знака, который приписывает ей таблица знаков на прилежащем промежутке.
Использует: 7. Многочлены, корни и степени, 18. Правила с бесконечными пределами. Опирается на: B (Наследие курса «Алгебра и геометрия»), D (Локальная ограниченность и знак), F (Сужение). Доказывается в уроке: Асимптоты и методы построения графиков.
Участок 3 Непрерывность и сравнение функций
- Определять непрерывность, связывать её с пределом и классифицировать разрывы как устранимые, разрывы типа скачка и существенные.
- Доказывать, что операции и композиция сохраняют непрерывность и что предел проходит под знак непрерывной функции.
- Доказывать непрерывность элементарных функций с помощью рассуждения о монотонных функциях, а с её помощью замечательные пределы и неопределённость вида .
- Сравнивать функции с помощью о малого и эквивалентности и заменять эквивалентными в произведениях и частных, но не в суммах.
Непрерывность и предел. Функция непрерывна в точке своей области определения , если ; если есть предельная точка множества , это равносильно , а если это изолированная точка, условие выполняется всегда.
Использует: 1. Определение предела. Доказывается в уроке: Предел и непрерывность.
Операции над непрерывными функциями. Линейные комбинации, произведения, частные с ненулевым знаменателем и корни функций, непрерывных в точке , непрерывны в точке ; следовательно, многочлены, рациональные функции, корни, модуль, синус, косинус и тангенс непрерывны на своей области определения.
Использует: 6. Арифметические свойства пределов, 7. Многочлены, корни и степени, 11. Синус и косинус, 23. Непрерывность и предел. Опирается на: C (Признак оценки). Доказывается в уроке: Предел и непрерывность.
Композиция непрерывных функций. Если непрерывна в точке , а непрерывна в точке , то непрерывна в точке ; а если стремится к и непрерывна в точке , то , и это верно также для одностороннего предела или на .
Использует: 3. Локальные свойства, 23. Непрерывность и предел. Опирается на: F (Сужение), G (Инверсия). Доказывается в уроке: Предел и непрерывность.
Непрерывные элементарные функции. Функция, определённая на промежутке, монотонная на нём и такая, что её образ есть промежуток, непрерывна; непрерывна и обратная к строго монотонной функции с этими свойствами; поэтому на своей области определения непрерывны экспонента, логарифм, степени с действительным показателем, обратные тригонометрические и гиперболические функции.
Использует: 13. Односторонние пределы, 14. Монотонные функции, 23. Непрерывность и предел, 24. Операции над непрерывными функциями, 25. Композиция непрерывных функций. Опирается на: B (Наследие курса «Алгебра и геометрия»). Доказывается в уроке: Непрерывность элементарных функций и замечательные пределы.
Замечательные пределы. При стремлении к выражения и стремятся к , к , а к ; кроме того, стремится к в точке , а стремится туда же на .
Использует: 6. Арифметические свойства пределов, 10. Теорема о двух милиционерах, 13. Односторонние пределы, 26. Непрерывные элементарные функции, 25. Композиция непрерывных функций. Опирается на: B (Наследие курса «Алгебра и геометрия»), E (Замена переменной), G (Инверсия). Доказывается в уроке: Непрерывность элементарных функций и замечательные пределы.
Неопределённость вида один в степени бесконечность. Если вблизи , стремится к , а стремится к действительному числу , то стремится к .
Использует: 6. Арифметические свойства пределов, 26. Непрерывные элементарные функции, 25. Композиция непрерывных функций, 27. Замечательные пределы. Доказывается в уроке: Непрерывность элементарных функций и замечательные пределы.
Показательные функции, степени и логарифмы. Если и , то и стремятся к на , а стремится к при стремлении к справа.
Использует: 10. Теорема о двух милиционерах, 16. Рациональные функции на бесконечности, 19. Неограниченные монотонные, 20. Композиция с бесконечным пределом. Опирается на: B (Наследие курса «Алгебра и геометрия»), G (Инверсия). Доказывается в уроке: Непрерывность элементарных функций и замечательные пределы.
Сравнение функций. при цели , если стремится к , и , если это отношение стремится к ; эквивалентность рефлексивна, симметрична и транзитивна, и тогда и только тогда, когда .
Использует: 6. Арифметические свойства пределов. Доказывается в уроке: Эквивалентные бесконечно малые и бесконечно большие.
Замена эквивалентных. Если и при цели , то имеет предел, конечный или бесконечный, тогда и только тогда, когда его имеет , и эти пределы совпадают; теорема верна для множителей, а не для слагаемых.
Использует: 6. Арифметические свойства пределов, 18. Правила с бесконечными пределами, 30. Сравнение функций. Доказывается в уроке: Эквивалентные бесконечно малые и бесконечно большие.
Сумма эквивалентных одного знака. Если и при цели , а и обе положительны или обе отрицательны вблизи , то .
Использует: 4. Три леммы, 10. Теорема о двух милиционерах, 30. Сравнение функций. Опирается на: C (Признак оценки). Доказывается в уроке: Эквивалентные бесконечно малые и бесконечно большие.
Таблица эквивалентных. В точке функции , , , и эквивалентны , , , , и всякий многочлен эквивалентен своему члену наименьшей степени; эквивалентности остаются верными, если вместо подставить любую функцию, которая стремится к , не обращаясь в нуль.
Использует: 7. Многочлены, корни и степени, 12. Первый замечательный предел, 27. Замечательные пределы. Опирается на: E (Замена переменной). Доказывается в уроке: Эквивалентные бесконечно малые и бесконечно большие.
К производной. Цепь останавливается там, где предел перестаёт быть предметом изучения и становится инструментом: следующий по порядку раздел определяет производную как предел разностного отношения, выводит её правила из арифметических свойств пределов и из композиции, производные элементарных функций из замечательных пределов, а теорему о промежуточном значении из сохранения знака и полноты.
Загрузка содержимого…