Как узнать непрерывность функции

16.12.202318.09.2023 admin 0 Comments

Непрерывность функции: определение, точки разрыва, примеры

Непрерывные функции образуют основной класс функций, с которыми оперирует математический анализ. Представление о непрерывной функции можно получить, если сказать, что график ее непрерывен, т.е. его можно начертить, не отрывая карандаша от бумаги.

К абстракции непрерывности человек пришел, наблюдая окружающие его, так называемые сплошные среды — твердые, жидкие или газообразные, например металлы, воду, воздух. На самом деле, как теперь хорошо известно, всякая физическая среда представляет собой скопление большого числа отделенных друг от друга движущихся частиц. Однако эти частицы и расстояния между ними настолько малы по сравнению с объемами сред, с которыми приходится иметь дело в макроскопических физических явлениях, что многие такие явления можно достаточно хорошо изучать, если считать приближенно массу изучаемой среды без всяких просветов, непрерывно распределенной в занятом ею пространстве. На таком допущении базируются многие физические дисциплины, например гидродинамика, аэродинамика, теория упругости. Математическое понятие непрерывности играет, естественно, в этих дисциплинах, как и во многих других, большую роль.

Дадим еще такое определение:

Функция называется непрерывной для всех значений, принадлежащих к данному отрезку, если она непрерывна в каждой точке этого отрезка, т.е. в каждой такой точке выполняется равенство (1).

Таким образом, для того чтобы ввести математическое определение свойства функции, заключающегося в том, что график ее есть непрерывная (в обычном понимании этого термина) кривая, появилась необходимость определить сначала локальное, местное свойство непрерывности (непрерывность в точке ), а затем на этой основе определить непрерывность функции на целом отрезке.

Приведенное определение, впервые указанное в начале прошлого столетия Коши, является общепринятым в современном математическом анализе. Проверка на многочисленных конкретных примерах показала, что это определение хорошо соответствует сложившемуся у нас практическому представлению о непрерывной функции, например представлению о непрерывном графике.

Функция может служить примером разрывной в точке функции. Ряд других примеров разрывных функций дают графики, изображенные на рис. 1.

Определение непрерывности функции

Сумма, разность и произведение конечного числа непрерывных функций есть функция непрерывная.

Точки разрыва функции

Решение. Найдем приращение функции

Решение. Для доказательства найдем приращение функции при переходе значения аргумента от к

Найдем предел приращения функции при

Так как предел приращения функции при равен нулю, то функция при непрерывна.

Пример 3. Определить характер разрыва функций и построить графики:

y=\operatorname\frac<1>.» png;base64,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» style=»vertical-align: middle;» />

a) При функция не определена, найдём односторонние пределы в этой точки:

Следовательно, в точке функция имеет разрыв второго рода.

c) Функция определена на всей числовой оси, неэлементарная, так как в точке аналитическое выражение функции меняется. Исследуем непрерывность функции в точке :

Очевидно, что в точке функция имеет устранимый разрыв.

d) Найдём левый и правый пределы функции в точке :

Итак, в точке справа функция имеет разрыв второго рода, а слева – непрерывность.

e) Найдём односторонние пределы функции в точке :

Итак, в точке с обеих сторон у функции скачки.

Источник

Непрерывность функций с примерами решения и образцами выполнения

Непрерывность функции:

Непрерывные функции, точки разрыва и их классификация, действия над непрерывными функциями, свойства функций, непрерывных на сегменте.

Определение:

Функция у = f(x) называется непрерывной в точке х₀, если:

Если в точке x₀ функция непрерывна, то точка x₀ называется точкой непрерывности функции.

Пример:

Исследовать на непрерывность функцию в точке х = 1.

Решение:

Чтобы доказать, что функция непрерывна в точке х = 1, необходимо проверить выполнение трех следующих условий (определение непрерывности):

Таким образом, доказано, что функция непрерывна в точке х = 1.

Замечание:

Формулу (10.1) можно записать в виде
(10.2)
так как . Это значит, что при нахождении предела непрерывной функции можно переходить к пределу под знаком функции.

Введем понятие непрерывности функции в точке х₀ справа и слева.
Если, существует f(x) = f(x₀), то функция называется непрерывной в точке x₀ слева. Аналогично определяется непрерывность функции справа.

Так как ∆x = x-x₀, a ∆y = f(x)-(x₀), то условие (10.1) равносильно следующему:

Определение:

Функция у = f(x) называется непрерывной в точке х₀, если бесконечно малому приращению аргумента соответствует бесконечно малое приращение функции
(10.3)

Пример:

Показать, что функция у = х³ непрерывна для любого значения аргумента х.

Решение:

Найдем приращение функции ∆y.

Используя теоремы о пределе суммы и произведения функции, получим
(3x²∆x 4- 3x∆x² + ∆x³) = 0.

Следовательно, функция у = х³ непрерывна при — ∞ Точки разрыва функции и их классификация

Определение:

Точка х₀ называется точкой разрыва функции у = f(x), если она принадлежит области определения функции или ее границе и не является точкой непрерывности.

Так, например, функция (рис. 89) терпит разрыв при х = 1. Эта функция не определена в точке х = 1, и не существует предела функции в этой точке.

Рис. 89. График функции

Определение:

Точка разрыва x₀ функции у = f(x) называется точкой устранимого разрыва, если существуют оба односторонних предела в точке x₀ и они равны, т. е.

Пример:

Исследовать на непрерывность функцию

Решение:

В точке x=-1 функция не определена, так как, выполнив подстановку, получаем неопределенность . В других точках дробь можно сократить на (1 + х), так как в них 1 + х ≠ 0. Легко видеть, что односторонние пределы слева и справа в точке х = — 1 равны между собой и их можно вычислить:

Определение:

Если в точке x₀ односторонние пределы слева и справа существуют, но не равны, точка x₀ называется точкой разрыва I рода.

Пример:

Исследовать на непрерывность функцию
(рис. 90).

Рис. 90. График функции

Решение: Вычислим односторонние пределы функции в точке ее разрыва х = 4.

Предел слева —.
Предел справа — .
Пределы слева и справа существуют, но не равны, следовательно, точка x = 4 для данной функции — точка разрыва I рода (точка скачка).

Определение:

Точки разрыва, не являющиеся точками разрыва I рода, называются точками разрыва II рода.

В точках разрыва II рода не существует хотя бы один из односторонних пределов. Функция , представленная на рис. 89, не имеет ни левого, ни правого конечного предела в точке х = 1. Следовательно, для данной функции x = 1 является точкой разрыва II рода.

Действия над непрерывными функциями

Теорема:

Непрерывность суммы, произведения и частного непрерывных функций. Если функции ϕ(x) и ψ(x) непрерывны в точке Хо, то их сумма и произведение также непрерывны в точке x₀. Если, кроме того, знаменатель в рассматриваемой точке не равен нулю, то частное непрерывных функций есть функция непрерывная.

Докажем непрерывность произведения.

Дано: непрерывность функций в точке x₀:
и

Доказать, что f(x) — ϕ(x) ∙ ψ(x) есть функция непрерывная в точке x₀, т. е. f(x) — f(x₀).

Доказательство:
f(x) = [ϕ(x) ∙ ψ(x)] = ϕ(x) ∙ ψ(x) = ϕ(x₀) ∙ ψ(x₀) = f(x₀).

Можно строго доказать, что все основные элементарные функции непрерывны при всех значениях х, для которых они определены.

Например, степенная у = xⁿ, показательная у = , тригонометрические у = sin х и у = cos х функции непрерывны на всей числовой оси (х ∈ R), логарифмическая функция непрерывна при х > 0, а тригонометрическая у = tg x непрерывна в каждом из интервалов и терпит разрыв II рода в точках (k = 0; ±1; ±2;…).

Теорема:

Непрерывность сложной функции. Если функция и = ϕ(x) непрерывна в точке x₀, а функция у = f(u) непрерывна в точке и₀ = ϕ(x₀), то сложная функция у = f [ϕ(x)] непрерывна в точке x₀.

В заключение этого раздела рассмотрим два предела, которые нам понадобятся в дальнейшем.

Пример:

Вычислить

Решение:

Заметим, что при х → 0 числитель и знаменатель одновременно стремятся к нулю, т.е. имеет место неопределенность вида . Выполним преобразование

Так как данная логарифмическая функция непрерывна в окрестности точки х = 0, то можно перейти к пределу под знаком функции ( f(x)= f (x)).

но — второй замечательный предел.

Следовательно,
(10.4)

В частности, при а = е
(10.5)

Таким образом, у = ln( 1 + х) и у = х — эквивалентные бесконечно малые функции при х → 0.

Пример:

Вычислить

Решение:

Здесь мы имеем дело с неопределенностью вида . Для нахождения предела сделаем замену переменной, положив — 1 = t. Тогда . При х → 0 также и t → 0.

Так как на основании результата, полученного в предыдущем примере, то
(10.6)

В частности, если а = е, имеем

т.е. у = — 1 и y = x — эквивалентные бесконечно малые функции при х → 0.

Свойства функций, непрерывных на сегменте

Определение:

Функция у = f(x) непрерывна на сегменте [а, b], если она непрерывна во всех внутренних точках Этого сегмента, а на концах сегмента (в точках a и b) непрерывна соответственно справа и слева.

Теорема:

Если функция у = f(x) непрерывна на сегменте [а, b], то она достигает на этом сегменте своего наибольшего и(или) наименьшего значения.

Простым доказательством этой теоремы, является геометрическая иллюстрация функции у = f(x) на рисунке 91. Непрерывная на сегменте [α, b] функция достигает наименьшего своего значения в точке х = x₁= а, а наибольшего значения в точке х₂.

Рис. 91. Геометрическая иллюстрация условий теоремы 10.3

Следствие:

Если функция у = f(x) непрерывна на сегменте [a, b], то она ограничена на этом сегменте.

Действительно, если по теореме 10.3 функция достигает на сегменте наибольшего M и наименьшего т значений, то имеет место неравенство m ≤ f(x) ≤ M для всех значений функции на рассматриваемом сегменте. Т. е. |f(x)| ≤ M и, следовательно, функция у = f(x) ограничена на сегменте [а, b].

Теорема:

Теорема Больцано-Коши. Если функция у = f(x) непрерывна на сегменте [а, b] и на ее концах принимает значения разных знаков, то внутри этого сегмента найдется, по крайней мере, одна тонка С, в которой функция равна нулю.

Геометрический смысл теоремы заключается в следующем: если точки графика функции у = f(x), соответствующие концам сегмента [a, b], лежат по разные стороны от оси ОХ, то этот график хотя бы в одной точке сегмента пересекает ось OX. На данном рисунке 92 это три точки x₁, x₂, x₃.

Рис. 92. Геометрическая иллюстрация условий теоремы 10.4

Теорема:

О промежуточных значениях функции. Если функция у = f(x) непрерывна на сегменте [α, b] и f(α) = A и f(b) = В, то для любого числа С, заключенного между A и B, найдется внутри этого сегмента такая точка с, что f(c) = С.

Из графика на рисунке 93 видно, что непрерывная функция, переходя от одного значения к другому, обязательно проходит через все промежуточные значения.

Рис. 93. Геометрическая иллюстрация условий теоремы 10.5

Теорема:

О непрерывности обратной функции.) Если функция у = f(x) непрерывна на сегменте [а, b] в возрастает (убывает) на этом сегменте, то обратная функция х = f⁻¹(y) на соответствующем сегменте оси OY существует и является также непрерывной возрастающей (убывающей) функцией.

Эту теорему мы принимаем без доказательства.

Решение на тему: Непрерывная функция

Пример:

Показать, что функция у = 4x² непрерывна в точке х = 2.

Решение:

Для этого необходимо показать, что в точке х = 2 выполняется все три условия непрерывности функции:

1) функция у = 4х² определена в точке х = 2 ⇒ f(2) = 16;
2) существует f(x) = 4x²= 16;
3) этот предел равен значению функции в точке х = 2

f(x) = f(2) = 16.

Пример:

Показать, что функция у = sin x непрерывна для любого значения аргумента х.

Решение:

Найдем приращение функции ∆y, используя формулы тригонометрических тождеств

Так как то при любом х имеем

Эта функция (рис. 94) определена во всех точках сегмента [0,4] и ее значение при х = 3 ⇒ у = 2. Функция терпит разрыв, так как она не имеет предела при х → 3 :

Следовательно, точка х = 3, точка разрыва первого рода. При этом в граничных точках исследуемого сегмента [0,4], функция f(x) непрерывна справа (х = 0) и непрерывна слева (х = 4).

Пример:

Исследовать на непрерывность функцию

Решение:

В точке х = 5 функция не определена, т.к., выполнив подстановку, получаем неопределенность вида 0/0. Легко доказать, что

Следовательно, точка х = 5 точка устранимого разрыва.

Пример:

Исследовать на непрерывность функцию

Решение:

В точке х = 0 функция (рис. 95) терпит разрыв, так как она не определена в этой точке. Пределы функции слева и справа от точки х = 0 равны ∞. Следовательно, точка х = 0 для данной функции является точкой разрыва второго

Пример:

Исследовать на непрерывность функцию