РК1›Тема 23. Непрерывность в точке, приращение

23. Непрерывность в точке, приращение

л. 9 · вопросы РК: A23, A24

РК: A23 (приращение функции), A24 (непрерывность в точке — любое определение); нужна для задачи 3 и задачи 5 варианта.

Определения (дословно по слайдам)

Определение 1. Функция y=f(x)y=f(x) называется непрерывной в точке x0x_0, если существует конечный предел функции в этой точке и выполнено равенство
lim⁡x→x0f(x)=f(x0).\lim_{x\to x_0}f(x)=f(x_0).
Обозначение: f(x)∈C(x0)f(x)\in C(x_0).

Определение 2 (на языке ε,δ\varepsilon,\delta). Функция y=f(x)y=f(x) непрерывна в точке x0x_0, если для любого сколь угодно малого положительного числа ε\varepsilon существует такое достаточно малое число δ\delta, что в δ\delta-окрестности точки x0x_0 выполнено неравенство ∣f(x)−f(x0)∣<ε|f(x)-f(x_0)|<\varepsilon:
lim⁡x→x0f(x)=f(x0)  ⟺  def∀ε>0 ∃δ(ε)>0: ∀x∈Sδ(x0)⇒∣f(x)−f(x0)∣<ε.\lim_{x\to x_0}f(x)=f(x_0)\overset{def}{\iff}\forall\varepsilon>0\ \exists\delta(\varepsilon)>0:\ \forall x\in S_\delta(x_0)\Rightarrow|f(x)-f(x_0)|<\varepsilon.
Здесь окрестность непроколотая — это правильно: в точке x0x_0 неравенство выполняется само (∣f(x0)−f(x0)∣=0|f(x_0)-f(x_0)|=0). В отличие от определения предела, функция обязана быть определена в x0x_0.

Определение 3 (через односторонние пределы). Функция y=f(x)y=f(x) непрерывна в точке x0x_0, если

  1. ∃lim⁡x→x0+f(x)\exists\lim\limits_{x\to x_0+}f(x);
  2. ∃lim⁡x→x0−f(x)\exists\lim\limits_{x\to x_0-}f(x);
  3. lim⁡x→x0+f(x)=lim⁡x→x0−f(x)=lim⁡x→x0f(x)=f(x0)\lim\limits_{x\to x_0+}f(x)=\lim\limits_{x\to x_0-}f(x)=\lim\limits_{x\to x_0}f(x)=f(x_0).

Приращения (сл. 6). Пусть функция y=f(x)y=f(x) определена в некоторой окрестности точки x0x_0, x∈S(x0)x\in S(x_0).

  • Δx=x−x0\Delta x=x-x_0 — приращение аргумента;
  • Δy=y(x)−y(x0)=y(x0+Δx)−y(x0)\Delta y=y(x)-y(x_0)=y(x_0+\Delta x)-y(x_0) — приращение функции в точке x0x_0.

Формулировка для РК (A23): пусть ff определена в окрестности точки x0x_0; приращением функции в точке x0x_0, соответствующим приращению аргумента Δx\Delta x, называется Δy=f(x0+Δx)−f(x0)\Delta y=f(x_0+\Delta x)-f(x_0).
В лекции это дано как «обозначение», без слова «определение».

Определение 4 (через приращения). Функция y=f(x)y=f(x) непрерывна в точке x0x_0, если бесконечно малому приращению аргумента в этой точке соответствует бесконечно малое приращение функции:
lim⁡Δx→0Δy=0.\lim_{\Delta x\to0}\Delta y=0.

Все четыре определения равносильны [пояснение не из лекций]: опр. 2 — запись опр. 1 в кванторах; опр. 3 — опр. 1 + теорема о связи двустороннего предела с односторонними; опр. 4 — опр. 1 после замены x=x0+Δxx=x_0+\Delta x: f(x)−f(x0)→0f(x)-f(x_0)\to0.

Односторонняя непрерывность (сл. 8–10)

Определение 1. Функция y=f(x)y=f(x) называется непрерывной в точке x0x_0 справа (правосторонне непрерывной), если существует конечный предел функции в этой точке справа и выполнено равенство lim⁡x→x0+f(x)=f(x0)\lim\limits_{x\to x_0+}f(x)=f(x_0).
Пример: y=xy=\sqrt x, x0=0x_0=0: lim⁡x→0+x=0=0\lim\limits_{x\to0+}\sqrt x=0=\sqrt0 — непрерывна в 00 справа (слева функция не определена).

Определение 2. Функция y=f(x)y=f(x) непрерывна в точке x0x_0 слева (левосторонне непрерывна), если существует конечный предел функции в этой точке слева и lim⁡x→x0−f(x)=f(x0)\lim\limits_{x\to x_0-}f(x)=f(x_0).

Теорема (о связи двусторонней непрерывности и односторонней). Функция y=f(x)y=f(x) непрерывна в точке x0x_0 тогда и только тогда, когда она непрерывна в этой точке справа и слева:
lim⁡x→x0+f(x)=lim⁡x→x0−f(x)=lim⁡x→x0f(x)=f(x0).\lim_{x\to x_0+}f(x)=\lim_{x\to x_0-}f(x)=\lim_{x\to x_0}f(x)=f(x_0).
Идея: следует из теоремы о связи двустороннего предела с односторонними (темы 14–16).

Примеры лектора (сл. 3)

  1. lim⁡x→0sin⁡x=sin⁡0=0\lim\limits_{x\to0}\sin x=\sin0=0 — sin⁡x∈C(0)\sin x\in C(0).
  2. lim⁡x→0x2=0=02\lim\limits_{x\to0}x^2=0=0^2 — x2∈C(0)x^2\in C(0).
  3. sgn⁡x={1,x>0−1,x<0\operatorname{sgn}x=\begin{cases}1,&x>0\\-1,&x<0\end{cases} — sgn⁡x∉C(0)\operatorname{sgn}x\notin C(0): односторонние пределы 11 и −1-1 различны (а в слайде значение в нуле не задано вовсе — тогда непрерывности нет тем более).

Алгоритм: проверить непрерывность в точке не из лекций

  1. Определена ли f(x0)f(x_0)? Нет — не непрерывна (дальше классифицировать разрыв, тема 25).
  2. Посчитать f(x0−0)f(x_0-0) и f(x0+0)f(x_0+0) (для кусочной — каждый по своей формуле).
  3. Оба конечны и равны f(x0)f(x_0) — непрерывна; иначе — разрыв.

Подбор параметра (частая задача): чтобы кусочная функция была непрерывна в точке склейки, приравнять левый предел, правый предел и значение.

Разобранные примеры

Пример 1 (приращение). y=x2y=x^2: найти Δy\Delta y в точке x0x_0 и доказать непрерывность по опр. 4.

Решение

Δy=(x0+Δx)2−x02=2x0Δx+(Δx)2\Delta y=(x_0+\Delta x)^2-x_0^2=2x_0\Delta x+(\Delta x)^2. При Δx→0\Delta x\to0: 2x0Δx→02x_0\Delta x\to0, (Δx)2→0(\Delta x)^2\to0, значит Δy→0\Delta y\to0 — непрерывна в любой точке x0x_0.

Пример 2 (параметр). При каком AA функция f(x)={sin⁡3xx,x≠0A,x=0f(x)=\begin{cases}\dfrac{\sin3x}{x},&x\ne0\\ A,&x=0\end{cases} непрерывна в x=0x=0?

Решение

lim⁡x→0sin⁡3xx=3\lim\limits_{x\to0}\frac{\sin3x}x=3 (следствие 1 первого замечательного предела). Непрерывность: A=f(0)=lim⁡x→0f(x)=3A=f(0)=\lim\limits_{x\to0}f(x)=3. Ответ: A=3A=3.

Пример 3 (односторонняя). f(x)={x+1,x<13x−1,x≥1f(x)=\begin{cases}x+1,&x<1\\ 3x-1,&x\ge1\end{cases} в точке x0=1x_0=1.

Решение

f(1)=2f(1)=2; f(1−0)=2f(1-0)=2; f(1+0)=2f(1+0)=2 — непрерывна (и справа, и слева).
Если бы было f(x)=xf(x)=x при x<1x<1: f(1−0)=1≠2=f(1)=f(1+0)f(1-0)=1\ne2=f(1)=f(1+0) — непрерывна только справа, в точке скачок.

Типичные ошибки

  • Писать в определении непрерывности проколотую окрестность или условие 0<∣x−x0∣0<|x-x_0|: тогда значение f(x0)f(x_0) не участвует, и определение превращается в определение предела.
  • Забывать требование «ff определена в x0x_0».
  • Считать, что из существования предела следует непрерывность: нужно ещё равенство f(x0)f(x_0).
  • В задаче 5 варианта: x\sqrt x при x→0x\to0 — только правосторонний предел; для точки склейки слева берётся другая формула (e1/xe^{1/x}).