2.1: Обмеження
Перш ніж ми дійсно почнемо, згадаємо деякі корисні позначення.
- 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, тоS∖T{x∈S|x∉T}, єS множиною з елементамиT видалених. Зокрема, якщоS є множиною іa є елементом,S, тоS∖{a}={x∈S|x≠ a} є множиноюS зa видаленим елементом.
- Якщоn є натуральним числом,Rn використовується як для множиниn -компонентних векторів, так⟨x1,x2,⋯,xn⟩ і для множини точок(x1,x2,⋯,xn) зn координатами.
- ЯкщоS іT є множинами, тоf:S→T 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
lim→x→→af(→x)=L
якщоf(→x) підходитьL кожного разу, коли→x підходить→a. Ось більш ретельне визначення межі.
Нехай
- mіn бути натуральними числами 2
- →a∈Rm
- функціяf(→x) бути визначена для всіх→x близько 3→a і приймати значення вRn
- L∈Rn
пишемо
lim→x→→af(→x)=L
якщо 4, значення функціїf(→x) обов'язково буде довільно близьким доL кожного разу, коли значення→x достатньо близько до→a, без 5 точно→a.
Тепер, коли ми розширили визначення межі, ми можемо розширити визначення безперервності.
Нехай
- mіn бути натуральними числами
- →a∈Rm
- функціяf(→x) бути визначена для всіх→x поруч→a і приймати значення вRn
- Функціяf є безперервною в точці,→a якщо
lim→x→→af(→x)=f(→a)
- 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.
- Якщоf(x,y) постійна функція, яка завжди приймає значення,L, то
lim(x,y)→(a,b)f(x,y)=L
- Якщоf:R2→R2 визначеноf(x,y)=(x,y), тодішнім
lim(x,y)→(a,b)f(x,y)=(a,b)
- За визначенням, як(x,y)(a,b),x підходиy підходиa і підходиb, так, щобf:R2→R якщо визначеноf(x,y)=x, тоді
lim(x,y)→(a,b)f(x,y)=a
Аналогічно, якщоg:R2→R визначаєтьсяg(x,y)=y, тимlim(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.
Нехай
- mіn бути натуральними числами
- →a∈Rmі→b∈Rn
- Dбути підмножиноюRm, що містить всі→x∈Rm, що знаходяться поруч→a
- c,F,G∈R
і
f,g:D∖{→a}→RX:Rm∖{→b}→D∖{→a}γ:R→R
Припустимо, що
lim→x→→af(→x)=Flim→x→→ag(→x)=Glim→y→→bX(→y)=→alimt→Fγ(t)=γ(F)
Тоді
- lim→x→→a[f(→x)+g(→x)]=F+G
lim→x→→a[f(→x)−g(→x)]=F−G
- lim→x→→af(→x)g(→x)=FG
lim→x→→acf(→x)=cF
- lim→x→→af(→x)g(→x)=FGякщоG≠0
- lim→y→→bf(X(→y))=F
- lim→x→→aγ(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,
Наступні функції є безперервними всюди у своїх доменах
- поліноми, раціональні функції
- коріння і повноваження
- триг-функції та їх зворотні
- експоненціальний і логарифм
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.
Наступні кілька прикладів ілюструють вплив «додаткова кімната» в розмірах, більших за одиницю, на межі.
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
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
В якості третього прикладу ми розглянемо Щеlim(x,y)→(0,0)x2−y2x2+y2. раз, найкращий спосіб побачити поведінку for(x,y) close to(0,0) - це переключитисяf(x,y)=x2−y2x2+y2 на полярні координати.
f(x,y)=x2−y2x2+y2=(rcosθ)2−(rsinθ)2r2=cos2θ−sin2θ=cos(2θ)
Зауважте, що цього разу не залежить від,fr але залежить відθ. Ось значно збільшений ескіз ряду кривих рівня дляf(x,y).
Зауважте, що
- як(x,y)(0,0) наближається вздовж променя з2θ=30∘,f(x,y) наближенням до значення√32 (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)x2−y2x2+y2 не існує.
Ось ще один спосіб прийти до такого ж висновку.
- Виберіть будь-яке дійсно невелике позитивне число. Ми будемо використовувати10−137 в якості прикладу.
- Виберіть будь-яке реальне числоF між−1 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)|<10−137.
- Це правда незалежно від того, яке дійсно невелике число ви вибрали. Так щоf(x,y)=x2−y2x2+y2 не наближається до жодної єдиної цінності якr=|(x,y)| підходів,0 і ми робимо висновок, щоlim(x,y)→(0,0)x2−y2x2+y2 не існує.
Необов'язково - неприємний ліміт, який не існує
У цьому прикладі ми вивчаємо поведінку функції
f(x,y)={(2x−y)2x−yif x≠y0if x=y
як(x,y)\rightarrow (0,0)\text{.} Ось графік кривої рівня,f(x,y)=-3\text{,} для цієї функції.
Ось більший графік кривих рівня,f(x,y)=c\text{,} для різних значень константиc\text{.}
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.
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.
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
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|
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.
- \displaystyle \mathbf x
- \displaystyle \mathbf a
- \displaystyle \mathbf L
Нехайf(x,y)=\dfrac{x^2}{x^2+y^2}\text{.}
- Знайдіть промінь, що наближається до походження, уздовж якогоf(x,y)=1\text{.}
- Знайдіть промінь, що наближається до походження, уздовж якогоf(x,y)=0\text{.}
- Що показує вищевказана робота про межуf(x,y)\text{?}
Нехайf(x,y)=x^2-y^2
- Висловіть функцію через полярні координатиr\theta\text{,} і спростити.
- Припустимо,(x,y) це відстань 1 від початку. Які найбільші і найменші значенняf(x,y)\text{?}
- Нехайr \gt 0\text{.} Припустимо(x,y) - це відстаньr від походження. Які найбільші і найменші значенняf(x,y)\text{?}
- 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.
- Що ти щойно показав?
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
Оцініть, якщо це можливо,
- \displaystyle \lim_{(x,y)\rightarrow(2,-1)}\ \big(xy+x^2\big)
- \displaystyle \lim_{(x,y)\rightarrow(0,0)}\ \frac{x}{x^2+y^2}
- \displaystyle \lim_{(x,y)\rightarrow(0,0)}\ \frac{x^2}{x^2+y^2}
- \displaystyle \lim_{(x,y)\rightarrow(0,0)}\ \frac{x^3}{x^2+y^2}
- \displaystyle \lim_{(x,y)\rightarrow(0,0)}\ \frac{x^2y^2}{x^2+y^4}
- \displaystyle \lim_{(x,y)\rightarrow (0,0)}\ \frac{(\sin x)\left(e^y-1\right)}{xy}
✳
- Знайдіть ліміт:\displaystyle \lim_{(x,y)\to(0,0)}\frac{x^8+y^8}{x^4+y^4}\text{.}
- Доведіть, що такого обмеження не існує:\displaystyle \lim_{(x,y)\to(0,0)}\frac{xy^5}{x^8+y^{10}}\text{.}
✳
Оцініть кожне з наступних обмежень або покажіть, що його не існує.
- \displaystyle \lim_{(x,y)\rightarrow (0,0)}\frac{x^3-y^3}{x^2+y^2}
- \displaystyle \lim_{(x,y)\rightarrow (0,0)}\frac{x^2-y^4}{x^2+y^4}
Етап 3
✳
Оцініть кожне з наступних обмежень або покажіть, що його не існує.
- \displaystyle \lim_{(x,y)\rightarrow (0,0)}\frac{2x^2 + x^2y - y^2x + 2y^2}{x^2 + y^2}
- \displaystyle \lim_{(x,y)\rightarrow(0,1)} \frac{x^2y^2 -2 x^2y + x^2} {(x^2 + y^2-2y+1)^2}
Визначте, для всіх(x,y)\ne(0,0)\text{,}f(x,y)=\frac{x^2y}{x^4+y^2}\text{.}
- Дозвольте0\le \theta \lt 2\pi\text{.} обчислювати\displaystyle\lim_{r\rightarrow 0^+}f(r\cos\theta,r\sin\theta)\text{.}
- Обчислити\displaystyle\lim_{x\rightarrow 0}f(x,x^2)\text{.}
- Чи\displaystyle\lim_{(x,y)\rightarrow (0,0)}f(x,y) існує?
✳
Обчислити наступні межі або пояснити, чому їх не існує.
- \displaystyle \lim_{(x,y)\rightarrow(0,0)}\frac{xy}{x^2+y^2}
- \displaystyle \lim_{(x,y)\rightarrow(0,0)}\frac{\sin(xy)}{x^2+y^2}
- \displaystyle \lim_{(x,y)\rightarrow(-1,1)}\frac{x^2+2xy^2+y^4}{1+y^4}
- \displaystyle \lim_{(x,y)\rightarrow(0,0)}|y|^x
- Визначення 1.3.3 в тексті CLP-1.
- У цьому тексті ми будемо цікавити,m,n\in\big\{1,2,3\big\}\text{,} але визначення працює для всіх натуральних чиселm,n\text{.}
- 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{.}
- Існує точна формальна версія цього визначення, яка виглядає так само, як Визначення 1.7.1 тексту CLP-1.
- 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.
- Не просто каламбур.