Является ли функция бесконечно малой при. Определение бесконечно большой функции. Определение ограниченной последовательности

Исчисление бесконечно малых и больших

Исчисление бесконечно малых - вычисления, производимые с бесконечно малыми величинами, при которых производный результат рассматривается как бесконечная сумма бесконечно малых. Исчисление бесконечно малых величин является общим понятием для дифференциальных и интегральных исчислений , составляющих основу современной высшей математики . Понятие бесконечно малой величины тесно связано с понятием предела .

Бесконечно малая

Последовательность a n называется бесконечно малой , если . Например, последовательность чисел - бесконечно малая.

Функция называется бесконечно малой в окрестности точки x 0 , если .

Функция называется бесконечно малой на бесконечности , если либо .

Также бесконечно малой является функция, представляющая собой разность функции и её предела, то есть если , то f (x ) − a = α(x ) , .

Бесконечно большая величина

Во всех приведённых ниже формулах бесконечность справа от равенства подразумевается определённого знака (либо «плюс», либо «минус»). То есть, например, функция x sinx , неограниченная с обеих сторон, не является бесконечно большой при .

Последовательность a n называется бесконечно большой , если .

Функция называется бесконечно большой в окрестности точки x 0 , если .

Функция называется бесконечно большой на бесконечности , если либо .

Свойства бесконечно малых и бесконечно больших

Сравнение бесконечно малых величин

Как сравнивать бесконечно малые величины?
Отношение бесконечно малых величин образует так называемую неопределённость .

Определения

Допустим, у нас есть бесконечно малые при одном и том же величины α(x ) и β(x ) (либо, что не суть важно для определения, бесконечно малые последовательности).

Для вычисления подобных пределов удобно использовать правило Лопиталя .

Примеры сравнения

С использованием О -символики полученные результаты могут быть записаны в следующем виде x 5 = o (x 3). В данном случае справедливы записи 2x 2 + 6x = O (x ) и x = O (2x 2 + 6x ).

Эквивалентные величины

Определение

Если , то бесконечно малые величины α и β называются эквивалентными ().
Очевидно, что эквивалентные величины являются частным случаем бесконечно малых величин одного порядка малости.

При справедливы следующие соотношения эквивалентности (как следствия из т.н. замечательных пределов):

Теорема

Предел частного (отношения) двух бесконечно малых величин не изменится, если одну из них (или обе) заменить эквивалентной величиной .

Данная теорема имеет прикладное значение при нахождении пределов (см. пример).

Пример использования

Заменяя s i n 2x эквивалентной величиной 2x , получаем

Исторический очерк

Понятие «бесконечно малое» обсуждалось ещё в античные времена в связи с концепцией неделимых атомов, однако в классическую математику не вошло. Вновь оно возродилось с появлением в XVI веке «метода неделимых» - разбиения исследуемой фигуры на бесконечно малые сечения.

В XVII веке произошла алгебраизация исчисления бесконечно малых. Они стали определяться как числовые величины, которые меньше всякой конечной (ненулевой) величины и всё же не равны нулю. Искусство анализа заключалось в составлении соотношения, содержащего бесконечно малые (дифференциалы), и затем - в его интегрировании .

Математики старой школы подвергли концепцию бесконечно малых резкой критике. Мишель Ролль писал, что новое исчисление есть «набор гениальных ошибок »; Вольтер ядовито заметил, что это исчисление представляет собой искусство вычислять и точно измерять вещи, существование которых не может быть доказано. Даже Гюйгенс признавался, что не понимает смысла дифференциалов высших порядков.

Как иронию судьбы можно рассматривать появление в середине века нестандартного анализа , который доказал, что первоначальная точка зрения - актуальные бесконечно малые - также непротиворечива и могла бы быть положена в основу анализа.

См. также

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Бесконечно малая величина" в других словарях:

БЕСКОНЕЧНО МАЛАЯ ВЕЛИЧИНА - переменная величина в некотором процессе, если она в этом процессе безгранично приближается (стремится) к нулю … Большая политехническая энциклопедия

Бесконечно малая величина - ■ Нечто неизвестное, но имеет отношение к гомеопатии … Лексикон прописных истин

Функция y=f(x) называется бесконечно малой при x→a или при x →∞, если или , т.е. бесконечно малая функция – это функция, предел которой в данной точке равен нулю.

Примеры.

1. Функция f(x) =(x -1) 2 является бесконечно малой при x →1, так как (см. рис.).

2. Функция f(x) = tgx – бесконечно малая при x →0.

3. f(x) = ln (1+x )– бесконечно малая при x →0.

4. f(x) = 1/x – бесконечно малая при x →∞.

Установим следующее важное соотношение:

Теорема. Если функция y=f(x) представима при x→a в виде суммы постоянного числа b и бесконечно малой величины α(x): f (x)=b+ α(x) то .

Обратно, если , то f (x)=b+α(x) , где a(x) – бесконечно малая при x→a.

Доказательство .

1. Докажем первую часть утверждения. Из равенства f(x)=b+α(x) следует |f(x) – b|=| α| . Но так как a(x) – бесконечно малая, то при произвольном ε найдется δ – окрестность точки a, при всех x из которой, значения a(x) удовлетворяют соотношению |α(x)|< ε. Тогда |f(x) – b|< ε. А это и значит, что .

2. Если , то при любом ε>0 для всех х из некоторой δ – окрестность точки a будет |f(x) – b|< ε. Но если обозначим f(x) – b= α , то |α(x)|< ε, а это значит, что a – бесконечно малая.

Рассмотрим основные свойства бесконечно малых функций.

Теорема 1. Алгебраическая сумма двух, трех и вообще любого конечного числа бесконечно малых есть функция бесконечно малая.

Доказательство . Приведем доказательство для двух слагаемых. Пусть f(x)=α(x)+β(x) , где и . Нам нужно доказать, что при произвольном как угодно малом ε> 0 найдетсяδ> 0, такое, что для x , удовлетворяющих неравенству |x – a|<δ , выполняется |f(x)|< ε.

Итак, зафиксируем произвольное число ε> 0. Так как по условию теоремы α(x) – бесконечно малая функция, то найдется такое δ 1 > 0, что при |x – a|< δ 1 имеем |α(x)|< ε/ 2. Аналогично, так как β(x) – бесконечно малая, то найдется такое δ 2 > 0, что при |x – a|< δ 2 имеем | β(x)|< ε/ 2.

Возьмем δ=min{ δ 1 , δ 2 } .Тогда в окрестности точки a радиуса δ будет выполняться каждое из неравенств |α(x)|< ε/ 2 и | β(x)|< ε/ 2. Следовательно, в этой окрестности будет

|f(x)|=| α(x)+β(x) | ≤ |α(x)| + | β(x)| < ε/2 + ε/2= ε,

т.е. |f(x)|< ε, что и требовалось доказать.

Теорема 2. Произведение бесконечно малой функции a(x) на ограниченную функцию f(x) при x→a (или при x→∞ ) есть бесконечно малая функция.

Доказательство . Так как функция f(x) ограничена, то существует число М такое, что при всех значениях x из некоторой окрестности точки a|f(x)|≤M. Кроме того, так как a(x) – бесконечно малая функция при x→a , то для произвольного ε> 0 найдется окрестность точки a , в которой будет выполняться неравенство |α(x)|< ε/M . Тогда в меньшей из этих окрестностей имеем | αf|< ε/M = ε. А это и значит, что af – бесконечно малая. Для случая x→∞ доказательство проводится аналогично.

Из доказанной теоремы вытекают:

Следствие 1. Если и , то .

Следствие 2. Если и c= const, то .

Теорема 3. Отношение бесконечно малой функции α(x) на функцию f(x) , предел которой отличен от нуля, есть бесконечно малая функция.

Доказательство . Пусть . Тогда 1/f(x) есть ограниченная функция. Поэтому дробь есть произведение бесконечно малой функции на функцию ограниченную, т.е. функция бесконечно малая.

Опр.: Функция называется бесконечно малой при , если .

В записи « » будем предполагать, что x 0 может принимать как конечное значение: x 0 = Сonst , так и бесконечное: x 0 = ∞.

Свойства бесконечно малых функций:

1) Алгебраическая сумма конечного числа бесконечно малых при функций является бесконечно малой при функцией.

2) Произведение конечного числа бесконечно малых при функций является бесконечно малой при функцией.

3) Произведение ограниченной функции на бесконечно малую функцию является бесконечно малой функцией.

4) Частное от деления бесконечно малой при функции на функцию, предел которой отличен от нуля, является бесконечно малой при функцией.

Пример : Функция y = 2 + x является бесконечно малой при , т.к. .

Опр.: Функция называется бесконечно большой при , если .

Свойства бесконечно больших функций:

1) Сумма бесконечно больших при функций является бесконечно большой при функцией.

2) Произведение бесконечно большой при функции на функцию, предел которой отличен от нуля, является бесконечно большой при функцией.

3) Сумма бесконечно большой при функции и ограниченной функции является бесконечно большой функцией.

4) Частное от деления бесконечно большой при функции на функцию, имеющую конечный предел, является бесконечно большой при функцией.

Пример : Функция y = является бесконечно большой при , т.к. .

Теорема. Связь между бесконечно малыми и бесконечно большими величинами . Если функция является бесконечно малой при , то функция является бесконечно большой при . И обратно, если функция является бесконечно большой при , то функция является бесконечно малой при .

Отношение двух бесконечно малых принято обозначать символом , двух бесконечно больших - символом . Оба отношения являются неопределёнными в том смысле, что их предел может как существовать, так и не существовать, быть равным некоторому числу или быть бесконечным в зависимости от вида конкретных функций, входящих в неопределённые выражения.

Кроме неопределённостей вида и неопределёнными являются следующие выражения:

Разность бесконечно больших одного знака;

Произведение бесконечно малой на бесконечно большую;

Показательно-степенная функция, основание которой стремится к 1, а показатель – к ;

Показательно-степенная функция, основание которой является бесконечно малой, а показатель – бесконечно большой;

Показательно-степенная функция, основание и показатель которой являются бесконечно малыми;

Показательно-степенная функция, основание которой является бесконечно большой, а показатель – бесконечно малой.

Говорят, что имеет место неопределенность соответствующего вида. Вычисление предела называют в этих случаях раскрытием неопределенности . Для раскрытия неопределенности выражение, стоящее под знаком предела, преобразуют к виду, не содержащему неопределенности.

При вычислении пределов используют свойства пределов, а также свойства бесконечно малых и бесконечно больших функций.

Рассмотрим примеры вычислений различных пределов.

1) . 2) .

4) , т.к. произведение бесконечно малой функции при на ограниченную функцию является бесконечно малой.

5) . 6) .

7) = =

. В данном случае имела место неопределенность типа , которую удалось раскрыть с помощью разложения многочленов на множители и сокращения на общий множитель .

= .

В данном случае имела место неопределенность типа , которую удалось раскрыть с помощью умножения числителя и знаменателя на выражение , использования формулы , и последующего сокращения дроби на ( +1).

9)
. В данном примере неопределенность типа была раскрыта почленным делением числителя и знаменателя дроби на старшую степень .

Замечательные пределы

Первый замечательный предел : .

Доказательство. Рассмотрим единичную окружность (рис.3).

Рис.3. Единичная окружность

Пусть х – радианная мера центрального угла МОА (), тогда ОА = R = 1, МК = sin x , AT = tg x . Сравнивая площади треугольников ОМА , ОТА и сектора ОМА , получим:

Разделим последнее неравенство на sin x , получим:

Так как при , то по свойству 5) пределов

Откуда и обратная величина при , что и требовалось доказать.

Замечание: Если функция является бесконечно малой при , т.е. , то первый замечательный предел имеет вид:

Рассмотрим примеры вычислений пределов с использованием первого замечательного предела.

При вычислении этого предела использовали тригонометрическую формулу: .

Рассмотрим примеры вычислений пределов с использованием второго замечательного предела.

2) .

3) . Имеет место неопределенность типа . Сделаем замену , тогда ; при .

Исчисление бесконечно малых и больших

Бесконечно малая

Функция называется бесконечно малой в окрестности точки x 0 , если .

Функция называется бесконечно малой на бесконечности , если либо .

Бесконечно большая величина

Последовательность a n называется бесконечно большой , если .

Функция называется бесконечно большой в окрестности точки x 0 , если .

Функция называется бесконечно большой на бесконечности , если либо .

Во всех случаях бесконечность справа от равенства подразумевается определённого знака (либо «плюс», либо «минус»). То есть, например, функция x sinx не является бесконечно большой при .

Свойства бесконечно малых и бесконечно больших

Сравнение бесконечно малых величин

Определения

Для вычисления подобных пределов удобно использовать правило Лопиталя .

Примеры сравнения

Эквивалентные величины

Определение

При справедливы следующие соотношения эквивалентности: , , .

Теорема

Данная теорема имеет прикладное значение при нахождении пределов (см. пример).

Пример использования

Заменяя s i n 2x эквивалентной величиной 2x , получаем

Исторический очерк

См. также

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Бесконечно большая" в других словарях:

Переменная величина Y, обратная бесконечно малой величине X, то есть Y = 1/X … Большой Энциклопедический словарь

Переменная величина y, обратная бесконечно малой величине x, то есть y = 1/x. * * * БЕСКОНЕЧНО БОЛЬШАЯ БЕСКОНЕЧНО БОЛЬШАЯ, переменная величина Y, обратная бесконечно малой величине X, то есть Y = 1/X … Энциклопедический словарь

В математике, переменная величина, которая в данном процессе изменения становится и остаётся по абсолютной величине больше любого наперёд заданного числа. Изучение Б. б. величин может быть сведено к изучению бесконечно малых (См.… … Большая советская энциклопедия

Функция называется бесконечно малой при
или при
, если
или
.

Например: функция
бесконечно малая при
; функция
бесконечно малая при
.

Замечание 1. Никакую функцию без указания направления изменения аргумента бесконечно малой назвать нельзя. Так, функция
при
является бесконечно малой, а при
она уже не является бесконечно малой (
).

Замечание 2. Из определения предела функции в точке, для бесконечно малых функций выполняется неравенство
.Этим фактом мы в дальнейшем будем неоднократно пользоваться.

Установим некоторые важные свойства бесконечно малых функций.

Теорема (о связи функции, её предела и бесконечно малой): Если функция
может быть представлена в виде суммы постоянного числаА и бесконечно малой функции
при
, то число

Доказательство:

Из условия теоремы следует, что функция
.

Выразим отсюда
:
. Поскольку функция
бесконечно малая, для неё справедливо неравенство
, тогда для выражения (
) также выполняется неравенство

А это значит, что
.

Теорема (обратная): если
, то функция
может быть представлена в виде суммы числаА и бесконечно малой при
функции
, т.е.
.

Доказательство:

Так как
, то для
выполняется неравенство
(*) Рассмотрим функцию
как единую и неравенство (*) перепишем в виде

Из последнего неравенства следует, что величина (
) является бесконечно малой при
. Обозначим её
.

Откуда
. Теорема доказана.

Теорема 1 . Алгебраическая сумма конечного числа бесконечно малых функций есть бесконечно малая функция.

Доказательство:

Проведём доказательство для двух слагаемых, так как для любого конечного числа слагаемых оно приводится аналогично.

Пусть
и
бесконечно малые при
функции и
– сумма этих функций. Докажем, что для
, существует такое
, что для всехх , удовлетворяющих неравенству
, выполняется неравенство
.

Так как функция
бесконечно малая функция,
, что для всех
выполняется неравенство
.

Так как функция
бесконечно малая функция,
, а следовательно существует такое, что для всех
выполняется неравенство
.

Возьмём равным меньшему из чисели, тогда в–окрестности точкиа будут выполняться неравенства
,
.

Составим модуль функции
и оценим его значение.

То есть
, тогда функция бесконечно малая, что и требовалось доказать.

Теорема 2. Произведение бесконечно малой функции
при
на ограниченную функцию
есть бесконечно малая функция.

Доказательство:

Так как функция
ограниченная, то существует такое положительное число
, что для всехвыполняется неравенство
.

Так как функция
бесконечно малая при
, то существует такая–окрестность точки, что для всехих этой окрестности выполняется неравенство
.

Рассмотрим функцию
и оценим её модуль

Итак
, а тогда
– бесконечно малая.

Теорема доказана.

Теоремы о пределах.

Теорема 1. Предел алгебраической суммы конечного числа функций равен алгебраической сумме пределов этих функций

Доказательство:

Для доказательства достаточно рассмотреть две функции, это не нарушит общности рассуждений.

Пусть
,
.

По теореме о связи функции, её предела и бесконечно малой, функции
и
можно представить в виде
где
и
– бесконечно малые при
.

Найдём сумму функций
и

Величина
есть постоянная величина,
– величина бесконечно малая. Таким образом, функция
представлена в виде суммы постоянной величины и бесконечно малой функции.

Тогда число
является пределом функции
, т.е.

Теорема доказана.

Теорема 2 . Предел произведения конечного числа функций равен произведению пределов этих функций

Доказательство:

Не нарушая общности рассуждений, проведём доказательство для двух функций
и
.

Пусть , тогда
,

Найдём произведение функций
и

Величина
есть постоянная величина,бесконечно малая функция. Следовательно, число
является пределом функции
, то есть справедливо равенство

Следствие:
.

Теорема 3. Предел частного двух функций равен частному пределов этих функций, если предел знаменателя отличен от нуля

Доказательство: Пусть
,

Тогда
,
.

Найдём частное и проделаем над ним некоторые тождественные преобразования

Величина постоянная, дробь
бесконечно малая. Следовательно, функцияпредставлена в виде суммы постоянного числа и бесконечно малой функции.

Тогда
.

Замечание. Теоремы 1–3 доказаны для случая
. Однако, они могут быть применимы при
, поскольку доказательство теорем в этом случае проводится аналогично.

Например. Найти пределы:

Первый и второй замечательные пределы.

Функция не определена при
. Однако её значения в окрестности точки нуль существуют. Поэтому можно рассматривать предел этой функции при
. Этот предел носит названиепервого замечательного предела .

Он имеет вид:
.

Например . Найти пределы: 1.
. Обозначают
, если
, то
.
; 2.
. Преобразуем данное выражение так, чтобы предел свёлся к первому замечательному пределу.
; 3..

Рассмотрим переменную величину вида
, в которойпринимает значения натуральных чисел в порядке их возрастания. Дадимразличные значения: если

Давая следующие значения из множества
, нетрудно увидеть, что выражение
при
будет
. Более того, доказывается, что
имеет предел. Этот предел обозначается буквой:
.

Число иррациональное:
.

Теперь рассмотрим предел функции
при
. Этот предел называетсявторым замечательным пределом

Он имеет вид
.

Например.

а)
. Выражение
заменим произведениемодинаковых сомножителей
, применим теорему о пределе произведения и второй замечательный предел; б)
. Положим
, тогда
,
.

Второй замечательный предел используется взадаче о непрерывном начислении процентов

При начислении денежных доходов по вкладам часто пользуются формулой сложных процентов, которая имеет вид:

где - первоначальный вклад,

- ежегодный банковский процент,

- число начислений процентов в год,

- время, в годах.

Однако, в теоретических исследованиях при обосновании инвестиционных решений чаще пользуются формулой экспоненциального (показательного) закона роста

Формула показательного закона роста получена как результат применения второго замечательного предела к формуле сложных процентов

Непрерывность функций.

Рассмотрим функцию
определённую в некоторой точкеи некоторой окрестности точки. Пусть в указанной точке функция имеет значение
.

Определение 1. Функция
называется непрерывной в точке , если она определена в окрестности точки, включая саму точку и
.

Определение непрерывности можно сформулировать иначе.

Пусть функция
определена при некотором значении,
. Если аргументудать приращение
, то функция получит приращение

Пусть функция в точке непрерывна (по первому определению непрерывности функции в точке),

То есть, если функция непрерывна в точке , то бесконечно малому приращению аргумента
в этой точке соответствует бесконечно малое приращение функции.

Справедливо и обратное предложение: если бесконечно малому приращению аргумента соответствует бесконечно малое приращение функции, то функция непрерывна.

Определение 2. Функция
называется непрерывной при
(в точке), если она определена в этой точке и некоторой её окрестности и если
.

Учитывая первое и второе определение непрерывности функции в точке можно получить следующее утверждение:

или
, но
, тогда
.

Следовательно, для того чтобы найти предел непрерывной функции при
достаточно в аналитическое выражение функции вместо аргументаподставить его значение.

Определение 3. Функция, непрерывная в каждой точке некоторой области называется непрерывной в этой области.

Например:

Пример 1. Доказать, что функция
непрерывна во всех точках области определения.

Воспользуемся вторым определением непрерывности функции в точке. Для этого возьмём любое значение аргумента и дадим ему приращение
. Найдём соответствующее приращение функции

Пример 2. Доказать, что функция
непрерывна во всех точкахиз
.

Дадим аргументу приращение
, тогда функция получит приращение

Найдём так как функция
, то есть ограничена.

Аналогично можно доказать, что все основные элементарные функции непрерывны во всех точках области их определения, то есть область определения элементарной функции совпадает с областью её непрерывности.

Определение 4. Если функция
непрерывна в каждой точке некоторого интервала
, то говорят, что функция непрерывна на этом интервале.