Processing math: 64%
Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

2.1: Обмеження

Перш ніж ми дійсно почнемо, згадаємо деякі корисні позначення.

Визначення 2.1.1
  • Nмножина всіх{1,2,3,} натуральних чисел.
  • Rмножина всіх дійсних чисел.
  • читається «є елементом».
  • читається «не є елементом».
  • {A|B}читається «набір всіхA таких, щоB»
  • ЯкщоS є множиною іT є підмножиною,S, тоST{xS|xT}, єS множиною з елементамиT видалених. Зокрема, якщоS є множиною іa є елементом,S, тоS{a}={xS|x a} є множиноюS зa видаленим елементом.
  • Якщоn є натуральним числом,Rn використовується як для множиниn -компонентних векторів, такx1,x2,,xn і для множини точок(x1,x2,,xn) зn координатами.
  • ЯкщоS іT є множинами, тоf:ST означає, щоf це функція, яка присвоює кожномуS елементуT. елемента множиниS називається доменомf.
  • \ почати {вирівнювати*}
    [a, b] =\ лівий\ {x\ in\ mathbb {R} |а\ ле х\ ле б\ право\} &&
    (а, б] =\ лівий\ {x\ in\ in\ mathbb {R} |a\ lt x\ ле б\ вправо\}\
    [a, b) =\ лівий\ {x\ in\ mathbb {R} |а\ ле х\ lt b\ вправо\} &&
    (а, б) =\ ліворуч\ {x\ in\ mathbb {R} |a\ lt х\ lt b\ вправо\}
    \ end {align*}

Визначення межі функції більш ніж однієї змінної виглядає так само, як визначення 1 межі функції однієї змінної. Дуже грубо кажучи

limxaf(x)=L

якщоf(x) підходитьL кожного разу, колиx підходитьa. Ось більш ретельне визначення межі.

Визначення 2.1.2. Обмеження

Нехай

  • mіn бути натуральними числами 2
  • aRm
  • функціяf(x) бути визначена для всіхx близько 3a і приймати значення вRn
  • LRn

пишемо

limxaf(x)=L

якщо 4, значення функціїf(x) обов'язково буде довільно близьким доL кожного разу, коли значенняx достатньо близько доa, без 5 точноa.

Тепер, коли ми розширили визначення межі, ми можемо розширити визначення безперервності.

Визначення 2.1.3. Безперервність

Нехай

  • mіn бути натуральними числами
  • aRm
  • функціяf(x) бути визначена для всіхx поручa і приймати значення вRn
  1. Функціяf є безперервною в точці,a якщо

    limxaf(x)=f(a)

  2. Функціяf є безперервною на множині,D якщо вона безперервна в кожній точціD.

Ось кілька дуже простих прикладів. Пізніше будуть ще кілька суттєвих прикладів - після того, як ми це зробили в тексті CLP-1, ми створимо деякі інструменти, які можна використовувати для побудови складних обмежень з більш простих.

Приклад 2.1.4
  1. Якщоf(x,y) постійна функція, яка завжди приймає значення,L, то

    lim(x,y)(a,b)f(x,y)=L

  2. Якщоf:R2R2 визначеноf(x,y)=(x,y), тодішнім

    lim(x,y)(a,b)f(x,y)=(a,b)

  3. За визначенням, як(x,y)(a,b),x підходиy підходиa і підходиb, так, щобf:R2R якщо визначеноf(x,y)=x, тоді

    lim(x,y)(a,b)f(x,y)=a

    Аналогічно, якщоg:R2R визначаєтьсяg(x,y)=y, тим

    lim(x,y)(a,b)g(x,y)=b

Межі багатозмінних функцій мають майже ті ж обчислювальні властивості, що і межі функцій однієї змінної. Наступна теорема узагальнює їх купу. Для простоти це стосується в першу чергу реальних цінних функцій. Тобто функції, які виводять дійсні числа на відміну від векторів. Однак він містить одну векторну функцію. ФункціяX в теоремі приймає як вхідn -компонентний вектор і повертаєm -компонентний вектор. Ми не будемо мати справу з багатьма векторними функціями тут, в CLP-3, але ми побачимо багато в CLP-4.

Теорема 2.1.5. Арифметичні та інші властивості меж

Нехай

  • mіn бути натуральними числами
  • aRmіbRn
  • Dбути підмножиноюRm, що містить всіxRm, що знаходяться поручa
  • c,F,GR

і

f,g:D{a}RX:Rm{b}D{a}γ:RR

Припустимо, що

limxaf(x)=Flimxag(x)=GlimybX(y)=alimtFγ(t)=γ(F)

Тоді

  1. limxa[f(x)+g(x)]=F+G

    limxa[f(x)g(x)]=FG

  2. limxaf(x)g(x)=FG

    limxacf(x)=cF

  3. limxaf(x)g(x)=FGякщоG0
  4. limybf(X(y))=F
  5. limxaγ(f(x))=γ(F)

Це показує, що багатозмінні межі дуже добре взаємодіють з арифметикою, так само, як це робили обмеження однієї змінної. Також нагадаємо, з теореми 1.6.8 в тексті CLP-1,

Теорема 2.1.6

Наступні функції є безперервними всюди у своїх доменах

  • поліноми, раціональні функції
  • коріння і повноваження
  • триг-функції та їх зворотні
  • експоненціальний і логарифм
Приклад 2.1.7

У цьому прикладі ми оцінюємо

lim(x,y)(2,3)x+sinyx2y2+1

як типове застосування теореми 2.1.5. Тут «a=» означає, що частина (а) теореми 2.1.5 виправдовує цю рівність. Почніть з обчислення окремо меж чисельника і знаменника.

lim(x,y)(2,3)(x+siny) a=lim(x,y)(2,3)x+lim(x,y)(2,3)sinye=lim(x,y)(2,3)x+sin(lim(x,y)(2,3)y)= 2+sin3lim(x,y)(2,3)(x2y2+1) a= lim(x,y)(2,3)x2y2+lim(x,y)(2,3)1b= (lim(x,y)(2,3)x)(lim(x,y)(2,3)x)(lim(x,y)(2,3)y)(lim(x,y)(2,3)y)+1= 2232+1

Так як межа знаменника ненульова, то ми можемо просто розділити.

lim(x,y)(2,3)x+sinyx2y2+1 c= lim(x,y)(2,3)(x+siny)lim(x,y)(2,3)(x2y2+1)= 2+sin337

Тут ми використовували, щоsinx є безперервною функцією.

Хоча визначення тексту CLP-1 1.3.3 межі функції однієї змінної та наше визначення 2.1.2 межі багатоваріантної функції виглядають практично однаково, існує суттєва практична різниця між ними. У вимірі перший, ви можете наблизитися до точки зліва або справа, і все. Можливих напрямів підходу всього два. У двох і більше вимірах є «набагато більше місця» і існує нескінченно багато можливих типів підходу. Можна навіть спіраль в точку. Див. Цифри середньої та правої руки нижче.

room1.svgroom2.svgroom3.svg

Наступні кілька прикладів ілюструють вплив «додаткова кімната» в розмірах, більших за одиницю, на межі.

Приклад 2.1.8

В якості другого прикладу ми розглянемоlim(x,y)(0,0)x2yx2+y2. У цьому прикладі і чисельник,x2y, і знаменник, якx2+y2, правило, до нуля як(x,y) підходи,(0,0), тому ми повинні бути обережнішими.

Хороший спосіб побачити поведінку функції,f(x,y) коли вона(x,y) близька до, -(0,0) це переключитися на полярні координати,r,θ, які визначаються

x=rcosθy=rsinθ

polar.svg

Точки(x,y), які близькі, -(0,0) це ті, з малим,r, незалежно від тогоθ, що є. Нагадаємо, щоlim(x,y)(0,0)f(x,y)=L колиf(x,y) підходиL як(x,y) підходи(0,0). Замінаx=rcosθ,y=rsinθ в це твердження перетворює його в твердження, щоlim(x,y)(0,0)f(x,y)=L колиf(rcosθ,rsinθ) підходитьL якr підходи0. Для нашого нинішнього прикладу

x2yx2+y2=(rcosθ)2(rsinθ)r2=rcos2θsinθ

Як|rcos2θsinθ|r правило,0 якr правило, до0 (незалежно від того, щоθ робить, якr правило0) у нас є

lim(x,y)(0,0)x2yx2+y2=0

Приклад 2.1.9

В якості третього прикладу ми розглянемо Щеlim(x,y)(0,0)x2y2x2+y2. раз, найкращий спосіб побачити поведінку for(x,y) close to(0,0) - це переключитисяf(x,y)=x2y2x2+y2 на полярні координати.

f(x,y)=x2y2x2+y2=(rcosθ)2(rsinθ)2r2=cos2θsin2θ=cos(2θ)

Зауважте, що цього разу не залежить від,fr але залежить відθ. Ось значно збільшений ескіз ряду кривих рівня дляf(x,y).

polarD.svg

Зауважте, що

  • як(x,y)(0,0) наближається вздовж променя з2θ=30,f(x,y) наближенням до значення32 (і фактичноf(x,y) приймає значенняcos(30)=32 в кожній точці цього променя)
  • як(x,y)(0,0) наближається вздовж променя з2θ=60,f(x,y) наближенням до значення12 (і фактичноf(x,y) приймає значенняcos(60)=12 в кожній точці цього променя)
  • як(x,y)(0,0) наближається вздовж променя з2θ=90,f(x,y) наближенням до значення0 (і фактичноf(x,y) приймає значенняcos(90)=0 в кожній точці цього променя)
  • і так далі

Так що немає єдиного числаL таких, щоf(x,y) підходитьL якr=|(x,y)|0, не важливо, який напрямок підходу. Обмеженняlim(x,y)(0,0)x2y2x2+y2 не існує.

Ось ще один спосіб прийти до такого ж висновку.

  • Виберіть будь-яке дійсно невелике позитивне число. Ми будемо використовувати10137 в якості прикладу.
  • Виберіть будь-яке реальне числоF між1 і1. ми будемо використовуватиF=32 як приклад.
  • Дивлячись на ескіз вище, ми бачимо, щоf(x,y) приймає значенняF вздовж всього променяθ=const,r>0..F=32, У випадку промінь є2θ=30,r>0. Зокрема, тому що промінь поширюється весь шлях, щоб(0,0),f прийняти значенняF для деяких(x,y) підкоряючись|(x,y)|<10137.
  • Це правда незалежно від того, яке дійсно невелике число ви вибрали. Так щоf(x,y)=x2y2x2+y2 не наближається до жодної єдиної цінності якr=|(x,y)| підходів,0 і ми робимо висновок, щоlim(x,y)(0,0)x2y2x2+y2 не існує.

Необов'язково - неприємний ліміт, який не існує

Приклад 2.1.10

У цьому прикладі ми вивчаємо поведінку функції

f(x,y)={(2xy)2xyif xy0if x=y

як(x,y)\rightarrow (0,0)\text{.} Ось графік кривої рівня,f(x,y)=-3\text{,} для цієї функції.

noLimS.svg

Ось більший графік кривих рівня,f(x,y)=c\text{,} для різних значень константиc\text{.}

noLim.svg

Як і раніше, це допомагає конвертувати в полярні координати - це хороший підхід 6. У полярних координатах

f(r\cos\theta,r\sin\theta) =\begin{cases} r\frac{(2\cos\theta-\sin\theta)^2}{\cos\theta-\sin\theta} & \text{if } \cos\theta\ne\sin\theta \\ 0 & \text{if } \cos\theta=\sin\theta \end{cases} \nonumber

Якщо ми наближаємося до початку вздовж будь-якого фіксованого променя,\theta=\text{const}\text{,} тоf(r\cos\theta,r\sin\theta) є постійним\frac{(2\cos\theta-\sin\theta)^2}{\cos\theta-\sin\theta} (або0 якщо\cos\theta=\sin\theta) разr і так наближається до нуля, якr наближається до нуля. Ви можете побачити це на малюнку нижче, де знову показані криві рівня, з променями\theta=\frac{1}{8}\pi і\theta=\frac{3}{16}\pi накладеними.

noLimA.svg

Якщо ви рухаєтеся до початку на будь-якому з цих променів, ви спочатку перетинаєте кривуf=3f=2 рівня, потім кривуf=1 рівня, потім кривуf=\frac{1}{2} рівня, потім криву рівня тощо.

Це,f(x,y)\rightarrow 0 як і(x,y)\rightarrow (0,0) вздовж будь-якого фіксованого променя, є наводить на думку, але не означає, що межа існує і дорівнює нулю. Нагадаємо, що мати\lim_{(x,y)\rightarrow(0,0)}f(x,y)=0\text{,} нам потрібно як биf(x,y)\rightarrow 0 не(x,y)\rightarrow (0,0)\text{.} було, недостатньо перевіряти тільки прямі підходи.

Насправді межіf(x,y) як(x,y)\rightarrow (0,0) не існує. Хороший спосіб побачити це - спостерігати, що якщо ви виправляєте будь-якіr \gt 0\text{,} незалежно від того, наскільки малі,f(x,y) приймає всі значення від-\infty до+\infty на коліx^2+y^2=r^2\text{.} Ви можете побачити це на малюнку нижче, який показує криві рівня ще раз, зx^2+y^2=r^2 накладеною колом. Для кожного-\infty \lt c \lt \infty\text{,} окремого рівня криваf(x,y)=c перетинає коло.

noLimB.svg

Отже, немає жодного числаL такого, якийf(x,y) близький доL кожного разу, коли(x,y) достатньо близький до(0,0)\text{.} межі\lim_{(x,y)\rightarrow(0,0)} f(x,y) не існує.

Ще один спосіб побачити, щоf(x,y) не має жодної межі, оскільки(x,y)\rightarrow (0,0) це показати, щоf(x,y) не має межі, оскільки(x,y)(0,0) наближається вздовж певної кривої. Це можна зробити, вибравши криву, яка робить знаменник,x-y\text{,} схильний до нуля дуже швидко. Однією з такихx-y=x^3 кривих є або, що еквівалентно,y=x-x^3\text{.} Уздовж цієї кривої, дляx\ne 0\text{,}

\begin{align*} f(x,x-x^3)&=\frac{{(2x-x+x^3)}^2}{x-x+x^3} =\frac{{(x+x^3)}^2}{x^3}\\ &=\frac{{(1+x^2)}^2}{x}\longrightarrow \begin{cases}+\infty & \text{as $x\rightarrow 0$ with } x \gt 0 \\ -\infty & \text{as $x\rightarrow 0$ with } x \lt 0 \end{cases} \end{align*}

Вибір питомої потужності неx^3 важливий. Будь-яка потужністьx^p зp \gt 2 матиме такий же ефект.

Якщо ми(x,y) посилаємо(0,0) вздовж кривоїx-y=ax^2 або, еквівалентно,y=x-ax^2\text{,} деa є ненульова константа,

\begin{align*} \lim_{x\rightarrow 0}f(x,x-ax^2) &=\lim_{x\rightarrow 0}\frac{{(2x-x+ax^2)}^2}{x-x+ax^2} =\lim_{x\rightarrow 0}\frac{{(x+ax^2)}^2}{ax^2}\\ &=\lim_{x\rightarrow 0}\frac{{(1+ax)}^2}{a} =\frac{1}{a} \end{align*}

Ця межа залежить від вибору константи Щеa\text{.} раз це доводить, щоf(x,y) не має межі, як(x,y)\rightarrow (0,0)\text{.}

Вправи

Етап 1

1

f(x,y)Припустимо, функція така, що\lim\limits_{(x,y)\to(0,0)}f(x,y)=10\text{.}

Правда чи брехня:|f(0.1,0.1)-10| \lt |f(0.2,0.2)-10|

2

Жорна кладе пшеницю в борошно. Пшениця сидить у тазі, а жорна тягне вгору і вниз.

Зразки пшениці беруть з різних місць уздовж басейну. Вимірюються їх діаметри і записується їх положення на басейні.

Розглянемо таке твердження: «У міру наближення частинок до жорна діаметри частинок наближаються до 50\mu м». У цьому контексті опишіть змінні нижче з визначення 2.1.2.

  1. \displaystyle \mathbf x
  2. \displaystyle \mathbf a
  3. \displaystyle \mathbf L
3

Нехайf(x,y)=\dfrac{x^2}{x^2+y^2}\text{.}

  1. Знайдіть промінь, що наближається до походження, уздовж якогоf(x,y)=1\text{.}
  2. Знайдіть промінь, що наближається до походження, уздовж якогоf(x,y)=0\text{.}
  3. Що показує вищевказана робота про межуf(x,y)\text{?}
4

Нехайf(x,y)=x^2-y^2

  1. Висловіть функцію через полярні координатиr\theta\text{,} і спростити.
  2. Припустимо,(x,y) це відстань 1 від початку. Які найбільші і найменші значенняf(x,y)\text{?}
  3. Нехайr \gt 0\text{.} Припустимо(x,y) - це відстаньr від походження. Які найбільші і найменші значенняf(x,y)\text{?}
  4. Дозвольте\epsilon \gt 0\text{.} знайти позитивне значенняr того, що гарантує|f(x,y)| \lt \epsilon щоразу, коли(x,y) є в більшостіr одиниць від походження.
  5. Що ти щойно показав?
5

f(x,y)Припустимо, це многочлен. Оцініть\lim\limits_{(x,y)\to(a,b)}f(x,y)\text{,}, де(a,b)\in\mathbb R^2\text{.}

Етап 2

6

Оцініть, якщо це можливо,

  1. \displaystyle \lim_{(x,y)\rightarrow(2,-1)}\ \big(xy+x^2\big)
  2. \displaystyle \lim_{(x,y)\rightarrow(0,0)}\ \frac{x}{x^2+y^2}
  3. \displaystyle \lim_{(x,y)\rightarrow(0,0)}\ \frac{x^2}{x^2+y^2}
  4. \displaystyle \lim_{(x,y)\rightarrow(0,0)}\ \frac{x^3}{x^2+y^2}
  5. \displaystyle \lim_{(x,y)\rightarrow(0,0)}\ \frac{x^2y^2}{x^2+y^4}
  6. \displaystyle \lim_{(x,y)\rightarrow (0,0)}\ \frac{(\sin x)\left(e^y-1\right)}{xy}
7.
  1. Знайдіть ліміт:\displaystyle \lim_{(x,y)\to(0,0)}\frac{x^8+y^8}{x^4+y^4}\text{.}
  2. Доведіть, що такого обмеження не існує:\displaystyle \lim_{(x,y)\to(0,0)}\frac{xy^5}{x^8+y^{10}}\text{.}
8.

Оцініть кожне з наступних обмежень або покажіть, що його не існує.

  1. \displaystyle \lim_{(x,y)\rightarrow (0,0)}\frac{x^3-y^3}{x^2+y^2}
  2. \displaystyle \lim_{(x,y)\rightarrow (0,0)}\frac{x^2-y^4}{x^2+y^4}

Етап 3

9.

Оцініть кожне з наступних обмежень або покажіть, що його не існує.

  1. \displaystyle \lim_{(x,y)\rightarrow (0,0)}\frac{2x^2 + x^2y - y^2x + 2y^2}{x^2 + y^2}
  2. \displaystyle \lim_{(x,y)\rightarrow(0,1)} \frac{x^2y^2 -2 x^2y + x^2} {(x^2 + y^2-2y+1)^2}
10

Визначте, для всіх(x,y)\ne(0,0)\text{,}f(x,y)=\frac{x^2y}{x^4+y^2}\text{.}

  1. Дозвольте0\le \theta \lt 2\pi\text{.} обчислювати\displaystyle\lim_{r\rightarrow 0^+}f(r\cos\theta,r\sin\theta)\text{.}
  2. Обчислити\displaystyle\lim_{x\rightarrow 0}f(x,x^2)\text{.}
  3. Чи\displaystyle\lim_{(x,y)\rightarrow (0,0)}f(x,y) існує?
11.

Обчислити наступні межі або пояснити, чому їх не існує.

  1. \displaystyle \lim_{(x,y)\rightarrow(0,0)}\frac{xy}{x^2+y^2}
  2. \displaystyle \lim_{(x,y)\rightarrow(0,0)}\frac{\sin(xy)}{x^2+y^2}
  3. \displaystyle \lim_{(x,y)\rightarrow(-1,1)}\frac{x^2+2xy^2+y^4}{1+y^4}
  4. \displaystyle \lim_{(x,y)\rightarrow(0,0)}|y|^x
  1. Визначення 1.3.3 в тексті CLP-1.
  2. У цьому тексті ми будемо цікавити,m,n\in\big\{1,2,3\big\}\text{,} але визначення працює для всіх натуральних чиселm,n\text{.}
  3. Якщо бути точним, існуєr\gt 0 таке число,f(\vec{x}) яке визначено для всіх\vec{x} підкоряються|\vec{x}-\vec{a}|\lt r\text{.}
  4. Існує точна формальна версія цього визначення, яка виглядає так само, як Визначення 1.7.1 тексту CLP-1.
  5. Ви можете знайти умова «не будучи точно\vec{a}» трохи дивним, але для цього є вагома причина, яку ми вже бачили в Обчислення I. Уf'(x) = \lim\limits_{x\rightarrow a} \frac{f(x)-f(a)}{x-a}\text{,} визначенні функція, межа якої береться, а саме взагалі не\frac{f(x)-f(a)}{x-a}\text{,} визначається.x=a\text{.} Це знову станеться, коли визначаємо похідні функцій більш ніж однієї змінної.
  6. Не просто каламбур.