Processing math: 99%
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)(0,0). Ось графік кривої рівня,f(x,y)=3, для цієї функції.

noLimS.svg

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

noLim.svg

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

f(rcosθ,rsinθ)={r(2cosθsinθ)2cosθsinθif cosθsinθ0if cosθ=sinθ

Якщо ми наближаємося до початку вздовж будь-якого фіксованого променя,θ=const, тоf(rcosθ,rsinθ) є постійним(2cosθsinθ)2cosθsinθ (або0 якщоcosθ=sinθ) разr і так наближається до нуля, якr наближається до нуля. Ви можете побачити це на малюнку нижче, де знову показані криві рівня, з променямиθ=18π іθ=316π 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=12 рівня, потім криву рівня тощо.

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

Насправді межіf(x,y) як(x,y)(0,0) не існує. Хороший спосіб побачити це - спостерігати, що якщо ви виправляєте будь-якіr>0, незалежно від того, наскільки малі,f(x,y) приймає всі значення від до+ на коліx2+y2=r2. Ви можете побачити це на малюнку нижче, який показує криві рівня ще раз, зx2+y2=r2 накладеною колом. Для кожного<c<, 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). межіlim(x,y)(0,0)f(x,y) не існує.

Ще один спосіб побачити, щоf(x,y) не має жодної межі, оскільки(x,y)(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,xy, схильний до нуля дуже швидко. Однією з такихxy=x3 кривих є або, що еквівалентно,y=xx3. Уздовж цієї кривої, дляx0,

f(x,xx3)=(2xx+x3)2xx+x3=(x+x3)2x3=(1+x2)2x{+as x0 with x>0as x0 with x<0

Вибір питомої потужності неx3 важливий. Будь-яка потужністьxp зp>2 матиме такий же ефект.

Якщо ми(x,y) посилаємо(0,0) вздовж кривоїxy=ax2 або, еквівалентно,y=xax2, деa є ненульова константа,

limx0f(x,xax2)=limx0(2xx+ax2)2xx+ax2=limx0(x+ax2)2ax2=limx0(1+ax)2a=1a

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

Вправи

Етап 1

1

f(x,y)Припустимо, функція така, щоlim(x,y)(0,0)f(x,y)=10.

Правда чи брехня:|f(0.1,0.1)10|<|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 50μ м». У цьому контексті опишіть змінні нижче з визначення 2.1.2.

  1. x
  2. a
  3. L
3

Нехайf(x,y)=x2x2+y2.

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

Нехайf(x,y)=x2y2

  1. Висловіть функцію через полярні координатиrθ, і спростити.
  2. Припустимо,(x,y) це відстань 1 від початку. Які найбільші і найменші значенняf(x,y)?
  3. Нехайr>0. Припустимо(x,y) - це відстаньr від походження. Які найбільші і найменші значенняf(x,y)?
  4. Дозвольтеϵ>0. знайти позитивне значенняr того, що гарантує|f(x,y)|<ϵ щоразу, коли(x,y) є в більшостіr одиниць від походження.
  5. Що ти щойно показав?
5

f(x,y)Припустимо, це многочлен. Оцінітьlim(x,y)(a,b)f(x,y),, де(a,b)R2.

Етап 2

6

Оцініть, якщо це можливо,

  1. lim(x,y)(2,1) (xy+x2)
  2. lim(x,y)(0,0) xx2+y2
  3. lim(x,y)(0,0) x2x2+y2
  4. lim(x,y)(0,0) x3x2+y2
  5. lim(x,y)(0,0) x2y2x2+y4
  6. lim(x,y)(0,0) (sinx)(ey1)xy
7.
  1. Знайдіть ліміт:lim(x,y)(0,0)x8+y8x4+y4.
  2. Доведіть, що такого обмеження не існує:lim(x,y)(0,0)xy5x8+y10.
8.

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

  1. lim(x,y)(0,0)x3y3x2+y2
  2. lim(x,y)(0,0)x2y4x2+y4

Етап 3

9.

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

  1. lim(x,y)(0,0)2x2+x2yy2x+2y2x2+y2
  2. lim(x,y)(0,1)x2y22x2y+x2(x2+y22y+1)2
10

Визначте, для всіх(x,y)(0,0),f(x,y)=x2yx4+y2.

  1. Дозвольте0θ<2π. обчислюватиlimr0+f(rcosθ,rsinθ).
  2. Обчислитиlimx0f(x,x2).
  3. Чиlim(x,y)(0,0)f(x,y) існує?
11.

Обчислити наступні межі або пояснити, чому їх не існує.

  1. lim(x,y)(0,0)xyx2+y2
  2. lim(x,y)(0,0)sin(xy)x2+y2
  3. lim(x,y)(1,1)x2+2xy2+y41+y4
  4. lim(x,y)(0,0)|y|x
  1. Визначення 1.3.3 в тексті CLP-1.
  2. У цьому тексті ми будемо цікавити,m,n{1,2,3}, але визначення працює для всіх натуральних чиселm,n.
  3. Якщо бути точним, існуєr>0 таке число,f(x) яке визначено для всіхx підкоряються|xa|<r.
  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 точноa» трохи дивним, але для цього є вагома причина, яку ми вже бачили в Обчислення I. Уf(x)=limxaf(x)f(a)xa, визначенні функція, межа якої береться, а саме взагалі неf(x)f(a)xa, визначається.x=a\text{.} Це знову станеться, коли визначаємо похідні функцій більш ніж однієї змінної.
  6. Не просто каламбур.