Перейти к содержимому
Topos Uranos

Эквивалентные бесконечно малые и бесконечно большие

Краткое содержание

Это занятие завершает раздел о пределах методом вычисления, который объединяет почти всё изученное ранее: сравнением функций, стремящихся к нулю или к бесконечности. Определяются oo малое, OO большое, одинаковый порядок и эквивалентность, и доказывается, что в произведении или частном каждый множитель можно заменить эквивалентным, не изменив предела. Тригонометрические пределы, пределы для экспоненты, логарифма и степеней, а также пределы многочленов, доказанные на предыдущих занятиях, собираются в таблицу эквивалентных бесконечно малых, которая позволяет с одного взгляда вычислять пределы, прежде требовавшие нескольких преобразований. Занятие показывает также самую частую ошибку при этом методе, замену внутри суммы, случаи, когда сумму всё же можно заменить, и то, как сравниваются степени вблизи нуля и вдали от начала координат.

Цели обучения

  1. Определять oo малое, OO большое, одинаковый порядок и эквивалентность функций в точке, с одной стороны или на бесконечности, и доказывать их свойства.
  2. Доказывать теорему о замене эквивалентных в произведениях и частных и понимать, почему она не действует для сумм.
  3. Доказывать таблицу эквивалентных бесконечно малых в нуле и применять её вместе с композицией для вычисления пределов и нахождения порядка и главной части бесконечно малой.
  4. Сравнивать степенные бесконечно большие и бесконечно малые и отличать эквивалентность от существования асимптоты.

Как сравнивать функции

Занятия о теореме о двух милиционерах и о бесконечных пределах показали, что неопределённости вида 00\frac{0}{0} и ∞∞\frac{\infty}{\infty} не имеют определённого результата: предел частного двух функций, стремящихся к нулю, зависит от того, насколько быстро они к нему стремятся. Идея этого занятия состоит в том, чтобы измерить эту быстроту, сравнивая каждую функцию с другой, более простой. Как и на занятии о бесконечных пределах, PP обозначает цель переменной (aa, a+a^+, a−a^-, ∞\infty или −∞-\infty), а «вблизи PP» означает в проколотой окрестности, с одной стороны или на луче. Если функция определена лишь на множестве AA, для которого aa есть предельная точка, то «вблизи aa» означает в точках множества AA из проколотой окрестности с центром aa, а пределы понимаются как на занятии о пределе функции одной действительной переменной, по множеству AA; приведённые ниже определения применяются и в этом случае.

ОпределениеСравнение функций

Пусть функции ff и gg определены вблизи PP, причём g(x)≠0g(x) \neq 0 вблизи PP.

  • ff пренебрежимо мала по сравнению с gg в PP, и пишут f=o⁡(g)f = \operatorname{o}(g), что читается «ff есть о малое от gg», если lim⁡x→Pf(x)g(x)=0\lim_{x \to P} \frac{f(x)}{g(x)} = 0.
  • ff ограничена относительно gg в PP, и пишут f=O⁡(g)f = \operatorname{O}(g), что читается «ff есть О большое от gg», если существует C>0C > 0, такое что ∣f(x)∣≤C∣g(x)∣\abs{f(x)} \leq C\abs{g(x)} вблизи PP; иначе говоря, если частное f(x)g(x)\frac{f(x)}{g(x)} ограничено вблизи PP.
  • ff и gg одного порядка в PP, если f(x)g(x)\frac{f(x)}{g(x)} стремится к числу, отличному от нуля.
  • ff и gg эквивалентны в PP, и пишут f∼gf \sim g, если lim⁡x→Pf(x)g(x)=1\lim_{x \to P} \frac{f(x)}{g(x)} = 1.

Функция, стремящаяся к 00 в PP, называется бесконечно малой в PP, а стремящаяся к ∞\infty или к −∞-\infty, бесконечно большой. Бесконечно малая в 00 имеет порядок k>0k > 0, если она одного порядка с xkx^k (в 0+0^+, если xkx^k определена лишь при x>0x > 0), и тогда, если f(x)xk\frac{f(x)}{x^k} стремится к cc, функция c xkc\,x^k есть её главная часть: f∼c xkf \sim c\,x^k.

Слово „бесконечно малая“ обозначает не очень маленькое число, а функцию, стремящуюся к нулю; запись o⁡(g)\operatorname{o}(g) обозначает не конкретную функцию, а любую из функций, пренебрежимо малых по сравнению с gg. Например, x2=o⁡(x)x^2 = \operatorname{o}(x) в 00, поскольку x2x=x\frac{x^2}{x} = x стремится к 00; напротив, x=o⁡(x2)x = \operatorname{o}(x^2) в ∞\infty, поскольку xx2=1x\frac{x}{x^2} = \frac{1}{x} стремится к 00. Одна и та же пара функций сравнивается противоположным образом в зависимости от цели. Одинаковый порядок и эквивалентность в сущности являются одним и тем же сравнением: если ff и gg одного порядка и их частное стремится к cc, то f∼c gf \sim c\,g.

УтверждениеСвойства сравнения

При одной и той же цели PP:

  • эквивалентность рефлексивна, симметрична и транзитивна: f∼ff \sim f; если f∼gf \sim g, то g∼fg \sim f; и если f∼gf \sim g и g∼hg \sim h, то f∼hf \sim h;
  • f∼gf \sim g тогда и только тогда, когда f−g=o⁡(g)f - g = \operatorname{o}(g); в частности, если h=o⁡(g)h = \operatorname{o}(g), то g+h∼gg + h \sim g;
  • если f=o⁡(h)f = \operatorname{o}(h) и g=o⁡(h)g = \operatorname{o}(h), то f+g=o⁡(h)f + g = \operatorname{o}(h) и c f=o⁡(h)c\,f = \operatorname{o}(h) для любого действительного cc.

Каждое утверждение есть правило из занятия об арифметических свойствах пределов, применённое к частному.

Доказательство

  1. gf=1fg→1,fh=fg⋅gh→1⋅1=1\frac{g}{f} = \frac{1}{\frac{f}{g}} \to 1, \qquad \frac{f}{h} = \frac{f}{g} \cdot \frac{g}{h} \to 1 \cdot 1 = \resaltar{1}

    Частное от деления ff на саму себя равно 11. Если fg\frac{f}{g} стремится к 11, то обратная величина стремится к 11=1\frac{1}{1} = 1 по правилу обратной величины. Если fg\frac{f}{g} и gh\frac{g}{h} стремятся к 11, то и их произведение тоже, по правилу произведения.

  2. f−gg=fg−1→0⇔fg→1\frac{f - g}{g} = \frac{f}{g} - 1 \to 0 \Leftrightarrow \frac{f}{g} \to \resaltar{1}

    Частное от деления f−gf - g на gg равно fg−1\frac{f}{g} - 1, и оно стремится к 00 тогда и только тогда, когда fg\frac{f}{g} стремится к 11. При f=g+hf = g + h разность равна hh.

  3. f+gh=fh+gh→0+0=0\frac{f + g}{h} = \frac{f}{h} + \frac{g}{h} \to 0 + 0 = \resaltar{0}

    Если fh\frac{f}{h} и gh\frac{g}{h} стремятся к 00, то к нулю стремятся и их сумма, и произведение каждого из них на постоянную, по правилу линейной комбинации.

OO большое не требует, чтобы частное имело предел, а лишь чтобы оно не росло бесконтрольно. Например, sin⁡x=O⁡(1)\sin x = \operatorname{O}(1) в ∞\infty, хотя у sin⁡x\sin x там нет предела, и xsin⁡1x=O⁡(x)x \sin \frac{1}{x} = \operatorname{O}(x) в 00, поскольку ∣xsin⁡1x∣≤∣x∣\abs{x \sin \frac{1}{x}} \leq \abs{x}. Для вычисления пределов достаточно oo малого; OO большое послужит для оценки погрешностей приближения, например погрешности многочлена Тейлора, который будет изучаться в курсе «Математический анализ II». Правила для него таковы.

УтверждениеПравила для О большого

При одной и той же цели PP:

  • если fg\frac{f}{g} имеет конечный предел в PP, то f=O⁡(g)f = \operatorname{O}(g); в частности, если f=o⁡(g)f = \operatorname{o}(g) или если f∼gf \sim g;
  • если f=O⁡(h)f = \operatorname{O}(h) и g=O⁡(h)g = \operatorname{O}(h), то f+g=O⁡(h)f + g = \operatorname{O}(h) и c f=O⁡(h)c\,f = \operatorname{O}(h) для любого действительного cc;
  • если f1=O⁡(g1)f_1 = \operatorname{O}(g_1) и f2=O⁡(g2)f_2 = \operatorname{O}(g_2), то f1f2=O⁡(g1g2)f_1 f_2 = \operatorname{O}(g_1 g_2);
  • если f1=O⁡(g1)f_1 = \operatorname{O}(g_1) и f2=o⁡(g2)f_2 = \operatorname{o}(g_2), то f1f2=o⁡(g1g2)f_1 f_2 = \operatorname{o}(g_1 g_2).

Каждое правило есть неравенство между модулями; последнее сочетает оценку с частным, стремящимся к нулю.

Доказательство

  1. ∣f(x)g(x)∣≤∣f(x)g(x)−L∣+∣L∣<∣L∣+1\abs{\frac{f(x)}{g(x)}} \leq \abs{\frac{f(x)}{g(x)} - L} + \abs{L} < \resaltar{\abs{L} + 1}

    Если fg\frac{f}{g} стремится к LL, то на вызов ε=1\varepsilon = 1 есть ответный ход: вблизи PP частное отстоит от LL меньше чем на 11, и по неравенству треугольника его модуль не превосходит ∣L∣+1\abs{L} + 1.

  2. ∣f(x)+g(x)∣≤C1∣h(x)∣+C2∣h(x)∣=(C1+C2)∣h(x)∣\abs{f(x) + g(x)} \leq C_1\abs{h(x)} + C_2\abs{h(x)} = \resaltar{(C_1 + C_2)\abs{h(x)}}

    Оценки C1C_1 для ff и C2C_2 для gg выполняются одновременно вблизи PP, в пересечении двух окрестностей. Неравенство треугольника оценивает сумму; для кратного оценкой служит ∣c∣ C1\abs{c}\,C_1.

  3. ∣f1(x)f2(x)∣≤C1∣g1(x)∣⋅C2∣g2(x)∣=C1C2∣g1(x)g2(x)∣\abs{f_1(x) f_2(x)} \leq C_1\abs{g_1(x)} \cdot C_2\abs{g_2(x)} = \resaltar{C_1 C_2 \abs{g_1(x) g_2(x)}}

    Оценки двух множителей перемножаются.

  4. 0≤∣f1(x)f2(x)g1(x)g2(x)∣≤C1∣f2(x)g2(x)∣→00 \leq \abs{\frac{f_1(x) f_2(x)}{g_1(x) g_2(x)}} \leq C_1 \abs{\frac{f_2(x)}{g_2(x)}} \to \resaltar{0}

    Частное от деления произведения на g1g2g_1 g_2 есть произведение частного, ограниченного числом C1C_1, и частного, стремящегося к 00; по теореме о двух милиционерах оно стремится к 00.