Как найти отрезок непрерывности функции

Содержание:

Непрерывность функций и точки разрыва

Непрерывность функции

Определение: Функция

• — она определена в этой точке и ее некоторой -окрестности;
• — существуют конечные лево- и правосторонние пределы от функции в этой точке и они равны между собой, т.е.

— предел функции в точке равен значению функции в исследуемой точке, т.е.

Пример:

Найти область непрерывности функции

Решение:

Данная функция непрерывна так как в каждой точке указанного интервала функция определена, в каждой точке существуют конечные и равные лево- и правосторонние пределы, а предел функции в каждой точке равен значению функции в этой точке.

Замечание: Всякая элементарная функция непрерывна в области своего определения.

Точки разрыва

Определение: Точки, в которых не выполняется хотя бы одно из условий непрерывности функции, называются точками разрыва. Различают точки разрыва первого и второго родов.

Определение: Точкой разрыва I рода называется точка, в которой нарушается условие равенства лево- и правостороннего пределов, т.е.

Пример:

Доказать, что функция в точке имеет разрыв первого рода.

Решение:

Нарисуем график функции в окрестности нуля (Рис. 64): Рис. 64. График функции Область определения функции: т.е. точка является точкой подозрительной на разрыв. Вычислим лево- и правосторонние пределы в этой точке: Следовательно, в изучаемой точке данная функция терпит разрыв первого рода.

Замечание: По поводу точки разрыва I рода иначе говорят, что в этой точке функция испытывает конечный скачок (на Рис. 64 скачок равен 1).

Определение: Точка, подозрительная на разрыв, называется точкой устранимого разрыва, если в этой точке левосторонний предел равен правостороннему.

Пример:

Доказать, что функция имеет в точке устранимый разрыв.

Решение:

В точке функция имеет неопределенность поэтому эта точка является точкой, подозрительной на разрыв. Вычислив в этой точке лево- и правосторонний пределы убеждаемся, что данная точка является точкой устранимого разрыва.

Определение: Все остальные точки разрыва называются точками разрыва II рода.

Замечание: Для точек разрыва второго рода характерен тот факт, что хотя бы

один из односторонних пределов равен т.е. в такой точке функция терпит бесконечный разрыв.

Пример:

Исследовать на непрерывность функцию

Решение:

Найдем область определения этой функции: т.е. точка

является точкой подозрительной на разрыв. Вычислим лево- и правосторонние пределы в этой точке: Так как левосторонний предел конечен, а правосторонний предел бесконечен, то в изучаемой точке данная функция терпит разрыв II рода.

Пример:

Исследовать на непрерывность функцию

Решение:

Найдем область определения этой функции: т.е. точка является точкой подозрительной на разрыв. Вычислим лево- и правосторонние пределы в этой точке: Так как левосторонний и правосторонний пределы бесконечены, то в изучаемой точке данная функция терпит разрыв II рода.

Операции над непрерывными функциями

Теорема: Сумма (разность) непрерывных функций есть непрерывная функция.

Доказательство: Докажем приведенную теорему для суммы двух функций которые определены в некоторой -окрестности точки в которой лево- и правосторонние пределы равны между собой. Так как функции непрерывны в некоторой -окрестности точки то выполняются равенства: В силу того, что существуют конечные пределы обеих функций, то по теореме о пределе суммы двух функций имеем, что Аналогично теорема доказывается для суммы (разности) любого конечного числа непрерывных функций. Нижеприведенные теоремы доказываются так же, как и теорема.

Теорема: Произведение непрерывных функций есть непрерывная функция.

Теорема: Частное двух непрерывных функций при условии, что во всех точках общей области определения функция , есть непрерывная функция.

Теорема: Сложная функция от непрерывных функций есть непрерывная функция.

• Заказать решение задач по высшей математике

Схема исследования функции на непрерывность

Исследование функции на непрерывность проводят по следующей схеме:

Пример:

Исследовать на непрерывность функцию

Решение:

Согласно схеме исследования функции на непрерывность имеем:

Рис. 65. Поведение графика функции в малой окрестности точки разрыва второго рода

Из рисунка видно, что график функции —неограниченно приближается к вертикальной прямой нигде не пересекая эту прямую.

Свойства непрерывных функций на отрезке (a; b)

Свойства непрерывных функций на отрезке .

Определение: Замкнутый интервал будем называть сегментом.

Приведем без доказательства свойства непрерывных функций на сегменте .

Теорема: Если функция непрерывна на сегменте , то она достигает своего наименьшего () и наибольшего () значения либо во внутренних точках сегмента, либо на его концах.

Пример:

Привести примеры графиков функций, удовлетворяющих условиям теорем(см. Рис. 66).

Рис. 66. Графики функций, удовлетворяющих условиям теоремы.

Решение:

На графике а) функция достигает своего наименьшего и наибольшего значений на концах сегмента На графике б) функция достигает своего наименьшего и наибольшего значения во внутренних точках сегмента На графике в) функция достигает своего наименьшего значения на левом конце сегмента а наибольшего значения во внутренней точке сегмента

Тб. Если функция непрерывна на сегменте и достигает своего наименьшего () и наибольшего () значений, то для любого вещественного числа С, удовлетворяющего неравенству , найдется хотя бы одна точка такая, что .

Пример:

Изобразить графики функций, удовлетворяющих условиям Тб (см. Рис. 67).

Рис. 67. Графики функций, удовлетворяющих условиям Тб.

Теорема: Если функция непрерывна на сегменте и на его концах принимает значения разных знаков, то найдется хотя бы одна точка такая, что.

Пример:

Изобразить графики функций, удовлетворяющих условиям теоремы(см. Рис. 68).

Рис. 68. Графики функций, удовлетворяющих условиям теоремы.

На графике а) существует единственная точка, в которой выполняются условия теоремы. На графиках б) и в) таких точек две и четыре, соответственно. Однако в случаях б) и в) для удовлетворения условий теоремы надо разбивать сегмент на отдельные отрезки.

Непрерывность функции и точки разрыва

Непрерывность функции в точке

30 декабря 2021

В этом уроке мы выясним, что такое непрерывность функции в точке, непрерывность на множестве; познакомимся с основными свойствами таких функций; научимся искать точки разрыва и решим множество интересных задач.

Содержание:

1. Интуитивное определение непрерывности
2. Непрерывность функции в точке
3. Непрерывность функции на множестве
4. Точки разрыва

Поначалу теория будет совсем простой, но затем выкладки и задачи начнут быстро усложняться. И чем глубже вы хотите разобраться в математике, тем больше пользы получите от этого урока.

1. Интуитивное определение непрерывности

Большинство студентов, когда слышат термин «непрерывная функция», представляют себе линию, которую можно начертить, не отрывая карандаша от бумаги. Например, обычную параболу:

Или просто какую-нибудь плавную кривую:

Главное, чтобы у этих линий не было никаких особенностей. Они не «разваливаются» на куски, не «улетают» в бесконечность рядом с какой-то точкой, и вообще для любого $x$ мы прямо по графику можем определить, чему будет равен $y$.

Другое дело — функции с нарушением непрерывности. Или, как говорят, с точками разрыва. Обычно студенты сразу называют функцию $y={1}/{{{x}^{2}}};$ — классическую гиперболу, которая не определена в точке $x=0$, а график «улетает» в бесконечность в окрестности этой точки:

Впрочем, для возникновения разрыва функции вовсе не обязательно уходить куда-то в бесконечность. Достаточно просто иметь выколотую точку. Взгляните:

Перед нами всё та же парабола $y={{x}^{2}}$, но с выколотой точкой $x=-2$. Как такое возможно? Очень просто. Например, именно так выглядит график функции

[y=frac{{{x}^{2}}left( x+2 right)}{x+2}]

Значение этой функции не определено при $x=-2$, поскольку знаменатель дроби обращается в ноль. Но во всех остальных точках знаменатель $x+2ne 0$, и можно выполнить сокращение:

[y=frac{{{x}^{2}}left( x+2 right)}{x+2}={{x}^{2}}quad left( xne -2 right)]

И это не какая-то «искусственная» задача — такие функции регулярно встречаются на ОГЭ и ЕГЭ по математике, особенно в задачах с параметром.

Но и это ещё не всё. Функция может быть определена на всей числовой прямой — и всё равно иметь точку разрыва:

Это график кусочно-заданной функции

[fleft( x right)=left{ begin{align} & 1, & x gt 0 \ & 0, & x=0 \ & -1, & x lt 0 \ end{align} right.]

Она определена для всех $xin mathbb{R}$, в т.ч. при $x=0$. Однако именно в точке $x=0$ происходит скачкообразное изменение: $fleft( 0 right)=0$, но малейший шаг влево — и вот уже $fleft( x right)=-1$. А малейший шаг вправо — и $fleft( x right)=1$.

Итого проблемы возникают там, где функция «улетает» в бесконечность, либо меняется скачкообразно, либо вообще не определена. И тут мы переходим к строгому определению непрерывности.

2. Непрерывность функции в точке

Определение 1. Функция $fleft( x right)$ называется непрерывной в точке ${{x}_{0}}$, если она определена в этой точке и имеет предел, равный значению функции в этой точке:

[limlimits_{xto {{x}_{0}}} fleft( x right)=fleft( {{x}_{0}} right)]

На практике удобно считать, что функция непрерывна в точке ${{x}_{0}}$, если выполнены сразу три условия:

1. Функция определена в этой точке, т.е. существует $fleft( {{x}_{0}} right)$;
2. Существует конечный предел функции $limlimits_{xto {{x}_{0}}} fleft( x right)$;
3. Этот предел равен значению функции в точке: $limlimits_{xto {{x}_{0}}} fleft( x right)=fleft( {{x}_{0}} right)$.

Если хотя бы одно из этих условий не выполнено, функция перестаёт быть непрерывной. Так, в приведённых выше примерах гипербола $y={1}/{x};$ не определена и не имеет предела в точке $x=0$. Парабола с выколотой точкой просто не определена при $x=-2$. А кусочно-заданная функция определена в точке $x=0$, но имеет разные левые и правые пределы, отличные от $fleft( 0 right)$.

2.1. Непрерывность по Коши и по Гейне

Среди трёх условий непрерывности особый интерес представляет второй пункт — существование предела $limlimits_{xto {{x}_{0}}} fleft( x right)$. Именно на вычислении предела функции в точке спотыкается большинство учеников.

Если вы чувствуете себя неуверенно в вычислении таких пределов, рекомендую повторить тему «Что такое предел функции в точке». А сейчас мы адаптируем два ключевых определения из того урока — предел функции по Коши (в нотации «$varepsilon $—$delta $») и по Гейне (через последовательности) — для проверки непрерывности.

Определение 2. (непрерывность по Коши) Функция $fleft( x right)$ непрерывна в точке ${{x}_{0}}$, если

[begin{align} & forall left( varepsilon gt 0 right)quad exists left( delta =delta left( varepsilon right) gt 0 right): \ & xin {{overset{circ }{mathop{U}},}_{delta }}left( {{x}_{0}} right)Rightarrow left| fleft( x right)-fleft( {{x}_{0}} right) right| lt varepsilon\ end{align}]

Когда «посвящённый» человек слышит фразу «предел функции в точке», он чаще всего вспоминает именно такое определение (по Коши, т.е. в нотации «$varepsilon $—$delta $»). Но есть ещё одно определение:

Определение 3. (непрерывность по Гейне) Функция $fleft( x right)$ непрерывна в точке ${{x}_{0}}$, если для любой числовой последовательности $left{ {{x}_{n}} right}$ такой, что

[limlimits_{nto infty } {{x}_{n}}={{x}_{0}}]

выполняется условие

[limlimits_{nto infty } fleft( {{x}_{n}} right)=fleft( {{x}_{0}} right)]

Все три определения непрерывности эквивалентны. Это следует из эквивалентности определения предела по Коши и по Гейне (доказательство такой эквивалентности — в уроке про пределы функции в точке).

Нас сейчас интересует другое: а как вообще проверить, что все эти пределы существуют? Тут нам на помощь приходят односторонние пределы.

2.2. Критерий существования предела в точке

Теорема 1. Предел функции в точке $limlimits_{xto a} fleft( x right)$ существует и равен числу $Ain mathbb{R}$ тогда и только тогда, когда существуют конечные односторонние пределы $limlimits_{xto a+} fleft( x right)$ и $limlimits_{xto a-} fleft( x right)$, причём эти пределы должны быть равны числу $A$:

[limlimits_{xto a} fleft( x right)=limlimits_{xto a+} fleft( x right)=limlimits_{xto a-} fleft( x right)=A]

Эта теорема прекрасно подходит и для проверки непрерывности, и для классификации точек разрыва (об этом позже). Давайте рассмотрим пару примеров, а затем сформулируем общий алгоритм.

Пример 1. Непрерывная функция.

Рассмотрим график функции $y={{x}^{2}}$ и найдём односторонние пределы в точке ${{x}_{0}}=2$.

Вот график с интересующей нас точкой:

Если встать в начало координат, а затем приближаться к точке ${{x}_{0}}=2$ слева, значения функции будут постепенно расти, становясь всё ближе к $y=4$:

А если двигаться из бесконечности влево, приближаясь к ${{x}_{0}}=2$, значения функции будут убывать, становясь всё ближе к тому же $y=4$:

Получается, что односторонние пределы существуют и равны одному и тому же числу:

[limlimits_{xto 2-} {{x}^{2}}=limlimits_{xto 2+} {{x}^{2}}=4]

Это значит, что и стандартный предел функции в точке ${{x}_{0}}=2$ тоже существует и равен

[limlimits_{xto 2} {{x}^{2}}=4]

Значение функции $y={{x}^{2}}$ в точке ${{x}_{0}}=2$ тем более определено и равно тому же самому числу:

[fleft( 2 right)={{2}^{2}}=4]

Вот и получается, что (1) функция равна 4, (2) предел существует (мы доказали это через односторонние пределы) и равен 4, (3) значения функции и предела в точке совпадают. Следовательно, функция $y={{x}^{2}}$ непрерывна в точке ${{x}_{0}}=2$.

Возможно, прочитав всё это, вы скажете: «Спасибо, кэп. А разве бывает иначе?» Ещё как бывает! Взгляните на следующий пример.

Пример 2. Функция с разрывом в точке ${{x}_{0}}=0$.

Рассмотрим график функции $y={left| x right|}/{x};$ и найдём односторонние пределы в точке ${{x}_{0}}=0$.

Этот график весьма схож с тем, что мы рассматривали в самом начале урока. Для удобства обозначим точки $left( 0;1 right)$ и $left( 0;-1 right)$, не принадлежащие графику, выколотыми точками (а не стрелками, как было раньше):

Функция не определена в нуле — одно из условий непрерывности уже не выполняется, и на этом можно было бы закончить. Но нас сейчас интересуют односторонние пределы.

Начнём движение по левой ветке графика — из минус бесконечности влево к $x=0$:

При этом значение функции будет оставаться неизменным: $y=-1$. Следовательно,

[limlimits_{xto 0-} frac{left| x right|}{x}=-1]

Теперь пройдёмся по правой ветке — из плюс бесконечности к $x=0$:

Как бы близко к нулю мы ни приближались, значения функции всё равно равны $y=1$. Поэтому

[limlimits_{xto 0+} frac{left| x right|}{x}=1]

Получается, что односторонние пределы существуют, но не равны:

[limlimits_{xto 0-} frac{left| x right|}{x}ne limlimits_{xto 0+} frac{left| x right|}{x}]

Следовательно, общего предела функции в точке $x=0$ не существует.

2.3. Алгоритм исследования функции на непрерывность

Сформулируем универсальный алгоритм, по которому доказывается непрерывность функции $fleft( x right)$ в точке ${{x}_{0}}$. Или наоборот — опровергается. Алгоритм состоит из трёх шагов:

1. Проверить, определена ли функция $fleft( x right)$ в точке $x={{x}_{0}}$. Другими словами, можно ли найти значение $fleft( {{x}_{0}} right)$. Если посчитать $fleft( {{x}_{0}} right)$ нельзя — функция не является непрерывной, исследование закончено. Если можно, переходим к пункту 2;
2. Найти односторонние пределы и проверить: выполняется ли критерий существования предела функции в точке. Если односторонние пределы существуют и равны — переходим к пункту 3. Если хотя бы один односторонний предел не существует, либо они не равны — функция не является непрерывной, исследование закончено.
3. Сравнить значения $fleft( {{x}_{0}} right)$ и $limlimits_{xto {{x}_{0}}} fleft( x right)$. Если они равны, функция непрерывна. Если нет — значит, функция не является непрерывной.

Может показаться, что действий слишком много. И что проверка слишком сложная. На самом деле это не так. Взгляните:

Пример 3. Доопределите функцию $fleft( x right)$ в точке ${{x}_{0}}$ так, чтобы она стала непрерывной:

[fleft( x right)=frac{sin x}{x},quad {{x}_{0}}=0]

Это одна из любимейших задач всех преподавателей по матанализу. Очевидно, функция не проходит уже первый пункт проверки: $fleft( 0 right)$ не существует, поскольку деление на ноль не определено.

Однако нам предлагают доопределить функцию, т.е. найти такое $Ain mathbb{R}$, чтобы полученная функция

[fleft( x right)=left{ begin{align} & frac{sin x}{x}, & xne 0 \ & A, & x=0 \ end{align} right.]

была непрерывна в точке ${{x}_{0}}=0$.

Поэтому проверим пункт 2. Посчитаем левосторонний и правосторонний пределы:

[begin{align} & limlimits_{xto 0+} frac{sin x}{x}=1; \ & limlimits_{xto 0-} frac{sin x}{x}=limlimits_{xto 0-} frac{sin left( -x right)}{-x}=limlimits_{tto 0+} frac{sin t}{t}=1 \ end{align}]

[begin{align} limlimits_{xto 0+} frac{sin x}{x}&=1; \ limlimits_{xto 0-} frac{sin x}{x}&=limlimits_{xto 0-} frac{sin left( -x right)}{-x} \ &=limlimits_{tto 0+} frac{sin t}{t}=1 \ end{align}]

Односторонние пределы легко сводятся к первому замечательному пределу и равны $A=1$. Следовательно, если мы доопределим $fleft( x right)$ так, чтобы $fleft( 0 right)=1$, мы получим функцию, непрерывную в ${{x}_{0}}=0$:

[fleft( x right)=left{ begin{align} & frac{sin x}{x}, & xne 0 \ & 1, & x=0 \ end{align} right.]

Вот и всё. Задача решена.

Обратите внимание на график функции $y=fleft( x right)$. Вот так он выглядит изначально (очевидно нарушение непрерывности в ${{x}_{0}}=0$):

А вот так — после того, как мы доопределим $fleft( 0 right)=1$:

Получили функцию, которая непрерывна в любой точке. И это видно на графике. Из чего сразу сделаем два замечания:

Замечание 1. Если в задании требуется исследовать функцию на непрерывность, обязательно постройте хотя бы примерный график этой функции. Так вы сразу поймёте: где могут быть проблемы, как ведёт себя функция в окрестности «проблемных» точек и что с этим можно сделать.

Замечание 2. Исследование на непрерывность всегда проводится в конкретных точках. Но график функции — это чаще всего бесконечное множество точек, большинство из которых ничем не примечательны. Поэтому нужно научиться определять непрерывность на бесконечных множествах.

Вот вторым пунктом — непрерывностью на бесконечных множествах — мы сейчас и займёмся.

3. Непрерывность функции на множестве

До сих пор мы говорили о непрерывности лишь в одной конкретной точке — некой ${{x}_{0}}in mathbb{R}$. Но большинство функций определено на огромных множествах — вплоть до всей числовой прямой. Как быть в этом случае? Здесь нам помогут следующие определения.

3.1. Непрерывность на интервале

Определение 4. Функция $fleft( x right)$ непрерывна на интервале $left( a;b right)$, если она непрерывна в каждой точке ${{x}_{0}}in left( a;b right)$.

Пример. Функция $y={1}/{x};$ непрерывна на интервале $left( -infty ;0 right)$ и на интервале $left( 0;+infty right)$.

Почему именно интервал? Почему не отрезок? Потому что интервал — это открытое множество, т.е. каждая точка ${{x}_{0}}in left( a;b right)$ входит в этот интервал с некоторой своей $delta $-окрестностью. На языке кванторов записывается это так:

[begin{align} {{x}_{0}}in left( a;b right) & Rightarrow exists left( delta gt 0 right): \ xin {{U}_{delta }}left( {{x}_{0}} right) & Rightarrow xin left( a;b right) \ end{align}]

А на числовой прямой всё это безобразие выглядит так:

На интервале мы никогда достигаем границ — точек $a$ и $b$. Поэтому не имеет значения, как близко к этим границам располагается точка ${{x}_{0}}$. Всегда можно взять расстояние до ближайшей границы (например, $left| {{x}_{0}}-a right|$), поделить пополам — вот вам и отступ $delta gt 0$.

3.2. Непрерывность на отрезке

Отрезок $left[ a;b right]$ принципиально отличается от интервала $left( a;b right)$ тем, что мы можем зайти, например, в левый конец отрезка — точку $a$ — и ничего левее этой точки принадлежать отрезку уже не будет.

Никакие отступы, никакие $delta $-окрестности тут не помогут. Поэтому нам нужны два новых определения.

Определение 5. Функция $fleft( x right)$ называется непрерывной справа в точке ${{x}_{0}}$, если

[limlimits_{xto {{x}_{0}}+} fleft( x right)=fleft( {{x}_{0}} right)]

непрерывной слева в точке ${{x}_{0}}$, если

[limlimits_{xto {{x}_{0}}-} fleft( x right)=fleft( {{x}_{0}} right)]

Теперь мы можем рассматривать непрерывность на любых привычных нам множествах — интервалах и отрезках. Чуть позже в этом уроке мы сформулируем замечательную теорему о непрерывности элементарных функций, но пока давайте рассмотрим пару примеров.

Пример 4. Функция $fleft( x right)=sqrt{4-{{x}^{2}}}$ непрерывна на всей своей области определения.

Проверить это и построить график.

Для начала найдём область определения $fleft( x right)$. Поскольку арифметический квадратный корень определён только из неотрицательного числа, имеем:

[begin{align} 4-{{x}^{2}} & ge 0 \ {{x}^{2}} & le 4 \ left| x right| & le 2 \ x& in left[ -2;2 right] \ end{align}]

Для лучшего понимания ситуации начертим график $y=sqrt{4-{{x}^{2}}}$. Заметим, что

[begin{align} {{y}^{2}} & =4-{{x}^{2}} \ {{x}^{2}}+{{y}^{2}} & ={{2}^{2}} \ end{align}]

это уравнение окружности с центром в начале координат и радиусом $r=2$. Графиком функции будет лишь та часть этой окружности, для которой $yge 0$:

Очевидно, что функция непрерывна для всех $xin left[ -2;2 right]$, причём в $x=-2$ непрерывна справа, в $x=2$ непрерывна слева.

Пример 5. Функция $fleft( x right)=sqrt{x}$ непрерывна на всей своей области определения.

Проверить это и построить график.

Область определения функции $fleft( x right)=sqrt{x}$:

[xin left[ 0;+infty right)]

График — стандартная «уложенная набок» ветвь параболы:

Видим, что функция $fleft( x right)$непрерывна во всех точках $xin left[ 0;+infty right)$, причём в $x=0$ непрерывна справа. Задача решена.

Возможно, вы уже заметили, что все функции, которые мы сегодня изучали, были непрерывны на всей своей области определения. Проблемы возникали лишь во всяких конструкциях вида ${1}/{x};$, где возможно деление на ноль. Но даже гипербола $y={1}/{x};$ не определена лишь в точке $x=0$, а во всех остальных точках она определена и непрерывна.

И это не случайно. Существует целый класс функций, которые непрерывны на всей своей области определения. Настала пора познакомиться с ними.

3.3. Непрерывность элементарных функций

В математическом анализе существует особый класс функций, которые называются элементарными.

Определение 6. Элементарные функции — это любые функции из списка:

1. Любой многочлен $Pleft( x right)={{a}_{n}}{{x}^{n}}+…+{{a}_{1}}x+{{a}_{0}}$;
2. Рациональная функция $fleft( x right)={Pleft( x right)}/{Qleft( x right)};$, где $Pleft( x right)$ и $Qleft( x right)$ — многочлены;
3. Степенная функция $fleft( x right)={{x}^{a}}$, где $ain mathbb{R}$;
4. Логарифмическая функция $fleft( x right)={{log }_{a}}x$, где $a gt 0$, $ane 1$;
5. Показательная функция $fleft( x right)={{a}^{x}}$, где $a gt 0$, $ane 1$;
6. Все тригонометрические функции: $sin x$, $cos x$, $operatorname{tg}x$, $operatorname{ctg}x$;
7. Все обратные тригонометрические функции: $arcsin x$, $arccos x$, $operatorname{arctg}x$, $operatorname{arcctg}x$;
8. Любые функции, которые можно составить из предыдущих с помощью конечного числа арифметических операций и композиций.

Кстати, модуль тоже является элементарной функцией:

[left| x right|=sqrt{{{x}^{2}}}]

Для всех таких функций выполняется замечательная теорема:

Теорема 2. Все элементарные функции непрерывны на всей своей области определения.

Если область определения представляет собой отрезок или иное замкнутое множество, то на концах таких отрезков выполняется односторонняя непрерывность.

Универсального доказательства этой теоремы сразу для всех элементарных функций не существует. Сначала доказывают непрерывность степенной и показательной функции. Затем показывают непрерывность арифметических операций (тот ещё квест, особенно для многочленов).

Кроме того, есть целая группа теорем, которые верны для всех непрерывных функций:

• 1.Теорема о нуле непрерывной функции и о промежуточном значении на отрезке.
• 2.Теоремы Вейерштрасса об ограниченности непрерывной функции на отрезке и о достижении точной верхней и нижней грани.
• 3.Теоремы о непрерывности обратной функции и композиции функций.

Каждой из этих теорем посвящён отдельный урок — с точной формулировкой, доказательством и примерами (см. содержание раздела). Сейчас нас интересуют более приземлённые вопросы.

Например, может возникнуть вопрос: а что, разве есть какие-то другие функции, помимо элементарных? Конечно есть.

Пример 6. Функция Дирихле:

[Dleft( x right)=left{ begin{align} & 1, & xin mathbb{Q} \ & 0, & xnotin mathbb{Q} \ end{align} right.]

Функция Дирихле определена для всех $xin mathbb{R}$. Она равна единице в том случае, если $x={p}/{q};$ — рациональное число, и равна нулю во всех остальных случаях.

Очевидно, что в любой $delta $-окрестности точки ${{x}_{0}}in mathbb{Q}$ и слева, и справа найдутся иррациональные числа. И наоборот: в любой $delta $-окрестности иррационального числа $ain mathbb{R}backslash mathbb{Q}$ найдутся его рациональные приближения с избытком и недостатком. Следовательно, односторонние пределы

[limlimits_{xto {{x}_{0}}-} Dleft( x right)quad limlimits_{xto {{x}_{0}}+} Dleft( x right)]

не существуют ни в одной точке графика. И функция Дирихле терпит разрыв в каждой точке числовой прямой.:)

Кстати, сам график выглядит примерно так:

Линия $y=1$ проведена пунктиром из тех соображений, что множество рациональных чисел счётно, а множество всех действительных чисел — нет. Но это всё условности.:)

Пример 7. Исследовать на непрерывность функцию

[fleft( x right)=sin left( {1}/{x}; right)]

Эта функция представляет собой композицию двух элементарных функций: $sin x$ и ${1}/{x};$. Следовательно, перед нами элементарная функция, которая определена и непрерывна везде, кроме $x=0$.

Посчитаем левосторонний и правосторонний предел в точке $x=0$. Для этого заметим, что при $xto 0$ величина ${1}/{x};to infty $. Следовательно, в любой $delta $-окрестности точки $x=0$ найдутся и точки вида $t=pi n$, $nin mathbb{Z}$, в которых $sin t=0$; и точки вида $t={pi }/{2};+pi n$, в которых $sin t=pm 1$.

Следовательно, ни левосторонний, ни правосторонний пределы не определены:

[limlimits_{xto 0+} sin frac{1}{x}quad limlimits_{xto 0-} sin frac{1}{x}]

А это значит, что общий предел в точке $x=0$ тоже не определён. Следовательно, $x=0$ — не просто точка разрыва (это и так понятно, поскольку в нуле функция не определена). Принципиально невозможно доопределить $fleft( x right)$ в нуле так, чтобы получилась непрерывная функция.

График $y=sin left( {1}/{x}; right)$ выглядит так (единичный отрезок — две клетки):

Чем ближе $xto 0$, тем быстрее график «бегает» между $y=-1$ и $y=1$. В какой-то момент из-за конечной толщины линий на чертеже строить график становится невозможно. Даже если мы возьмём за единичный отрезок тысячу клеток. Даже если будем чертить на огромных листах. Никакие листы и отрезки не могут сравниться с бесконечностью.:)

Ну и перед тем как переходить к практике, давайте разберёмся, что же произойдёт, если хотя бы одно условие непрерывности не выполняется.

4. Точки разрыва

Урок о непрерывности функции в точке будет неполным, если мы не поговорим про точки разрыва.

Напомню, что функция $fleft( x right)$ является непрерывной в точке ${{x}_{0}}$, когда выполнены три условия:

1. Функция $fleft( x right)$ определена в этой точке, т.е. мы можем посчитать $fleft( {{x}_{0}} right)$.
2. Существует конечный предел $limlimits_{xto {{x}_{0}}} fleft( x right)$.
3. Должно выполняться равенство $limlimits_{xto {{x}_{0}}} fleft( x right)=fleft( {{x}_{0}} right)$.

А что, если хотя бы одно условие не выполнено? Перед нами точка разрыва.

Определение 7. Если функция $fleft( x right)$ не является непрерывной в точке ${{x}_{0}}$, то она называется разрывной в точке ${{x}_{0}}$. Сама точка ${{x}_{0}}$ при этом называется точкой разрыва функции $fleft( x right)$.

Определение 8. Точка разрыва ${{x}_{0}}$ называется точкой разрыва первого рода функции $fleft( x right)$, если существуют конечные односторонние пределы $limlimits_{xto {{x}_{0}}+} fleft( x right)$ и $limlimits_{xto {{x}_{0}}-} fleft( x right)$.

В противном случае ${{x}_{0}}$ называется точкой разрыва второго рода.

Классический пример точки разрыва второго рода:

[y=frac{1}{x},quad {{x}_{0}}=0]

Ветви гиперболы «улетают» в бесконечность рядом с точкой ${{x}_{0}}=0$.

Ещё один пример:

[y=sin frac{1}{x},quad {{x}_{0}}=0]

Мы уже рассматривали график этой функции и знаем, что односторонних пределов в ${{x}_{0}}=0$ не существует. Поэтому функция терпит разрыв второго рода.

Да даже обычный $y=operatorname{tg}x$ терпит разрыв второго рода в точках вида ${{x}_{n}}={pi }/{2};+pi n$, $nin mathbb{Z}$.

Определение 9. Разрыв первого рода в точке ${{x}_{0}}$ называется устранимым, если существует конечный предел $limlimits_{xto {{x}_{0}}} fleft( x right)=A$, но $Ane fleft( {{x}_{0}} right)$.

То же самое, если существует конечный предел $limlimits_{xto {{x}_{0}}} fleft( x right)=A$, но $fleft( {{x}_{0}} right)$ не определена.

Из определения очевидно, что устранимыми могут быть только разрывы первого рода. Вот несколько примеров:

• $y=frac{sin x}{x}$, ${{x}_{0}}=0$ (устранимый: $yleft( 0 right)=1$)
• $y=frac{left| x-1 right|}{x-1}$, ${{x}_{0}}=1$ (неустранимый)
• $y=frac{{{x}^{2}}left( x+2 right)}{x+2}$, ${{x}_{0}}=-2$ (устранимый: $yleft( -2 right)=4$)

Рассмотрим более сложный пример

Пример 8. Исследуйте точки разрыва функции

[y=xcdot {{e}^{{1}/{x};}}]

Это элементарная функция, поэтому единственная точка разрыва: $x=0$ — в ней не определена дробь ${1}/{x};$.

Выясним, какого рода этот разрыв. Посчитаем предел слева:

[begin{align} limlimits_{xto 0-} xcdot {{text{e}}^{{1}/{x};}} & =limlimits_{xto 0-} frac{x}{{{text{e}}^{-{1}/{x};}}}=frac{limlimits_{xto 0-} x}{limlimits_{xto 0-} {{text{e}}^{-{1}/{x};}}}= \ & =frac{0}{limlimits_{xto 0+} {{text{e}}^{{1}/{x};}}}=left[ frac{0}{infty } right]=0 end{align}]

[begin{align}limlimits_{xto 0-}xcdot {{text{e}}^{{1}/{x};}}&=limlimits_{xto 0-}frac{x}{{{text{e}}^{-{1}/{x};}}}= \ &=frac{limlimits_{xto 0-}x}{underset{xto 0-}{{text{e}}^{-{1}/{x};}}}= \ &=frac{0}{limlimits_{xto 0+}{{text{e}}^{{1}/{x};}}}= \ &=left[ frac{0}{infty } right]=0 end{align}]

И предел справа:

[begin{align} limlimits_{xto 0+} xcdot {{text{e}}^{{1}/{x};}} & =limlimits_{xto 0+} frac{{{text{e}}^{{1}/{x};}}}{{1}/{x};}=left[ {x=1}/{t}; right]= \ & =limlimits_{tto +infty } frac{{{text{e}}^{t}}}{t}=+infty\ end{align}]

[begin{align}limlimits_{xto 0+}xcdot {{text{e}}^{{1}/{x};}}&=limlimits_{xto 0+}frac{{{text{e}}^{{1}/{x};}}}{{1}/{x};}= \ &=left[ {x=1}/{t}; right]= \ &=limlimits_{tto +infty }frac{{{text{e}}^{t}}}{t}=+infty end{align}]

Понятно, что показательная функция $y={{text{e}}^{t}}$ растёт быстрее линейной $y=t$ при $tto +infty $. Поэтому конечного предела нет.

Итого функция терпит разрыв второго рода в точке $x=0$. Этот разрыв хорошо виден на графике:

Обратите внимание: точка $x=1$ является точкой локального минимума, а прямая $y=x+1$ — наклонная асимптота нашего графика. Чтобы находить такие точки, нужно разобраться с производными.

О производных и дифференциалах мы поговорим в отдельных уроках. А пока лишь одна заключительная рекомендация:

При исследовании функции на непрерывность обязательно чертите её график. Хотя бы в виде эскиза. Даже если задание кажется вам «очевидным».

Так вы защитите себя от глупых ошибок. И намного быстрее поймёте, как ведёт себя функция в окрестностях точек разрыва.

На этом всё. Приступайте к практике.:)

Смотрите также:

1. Теоремы Вейерштрасса о непрерывной функции
2. Критерий Коши сходимости последовательности
3. Тест к уроку «Что такое логарифм» (средний)
4. Не пишите единицы измерения в задаче B12
5. Однородные тригонометрические уравнения: общая схема решения
6. Задача B4: тарифы на сотовую связь

Содержание:

1. Точки непрерывности и точки разрыва функции
2. Непрерывность элементарных функций. Свойства непрерывных функций
3. Непрерывность и разрывы функций
4. Определение непрерывности функции в точке. Непрерывность основных элементарных функций
5. Разрывы функций и их классификация
6. Непрерывность функции на промежутке. Основные теоремы о непрерывных функциях

Точки непрерывности и точки разрыва функции

Важнейшим понятием математического анализа является непрерывность функции.

Определение 1. Функция , определенная в некоторой окрестности точки называется непрерывной в этой точке, если предел функции в точке существует и равен значению в этой точке: .

Рис. 1. Иллюстрация непрерывности функции в точке

Определение 1 содержит четыре условия непрерывности:

1) функция должна быть определена в некоторой окрестности точки ;

2) должны существовать конечные односторонние пределы и ;

3) эти пределы должны быть одинаковы;

4) эти пределы должны быть равны .

Определение 2. Если в точке нарушается хотя бы одно из условий непрерывности, то говорят, что эта точка есть точка разрыва функции Причем, если выполняется условие 2) и не выполняется хотя бы одно из оставшихся, то это точка разрыва первого рода. Если же условие 2) не выполняется, то это точка разрыва второго рода.

Например, функция (Рис- а) терпит разрыв первого рода в точке = 0, т.к. односторонние пределы существуют, но они не равны:

.

Заметим, что разность между конечными значениями правостороннего и левостороннего пределов называют скачком функции в точке. В данном случае величина скачка равна 2.

Функция (рис. 2, б) имеет разрыв второго рода в точке = 1, т.к. в этой точке не существуют конечные односторонние пределы:

Рис. 2. Иллюстрация точек разрыва а) первого рода и б) второго рода  

Непрерывность элементарных функций. Свойства непрерывных функций

Элементарные функции: степенные, показательные, логарифмические, тригонометрические и обратные им, а также их сумма, произведение, частное непрерывны при всяком , при котором они имеют определенное значение.

Обратим внимание на свойства непрерывных функций.

Теорема 1. Если функции и непрерывны в точке , то функции , а если, кроме того , то и , являются непрерывными в точке .

Теорема 2. Непрерывная функция от непрерывной функции является непрерывной функцией.

Определение 3. Функция, определенная на некотором отрезке и непрерывная в каждой его точке, называется непрерывной на отрезке.

Теорема 3. (Вейерштрасс). Всякая непрерывная на отрезке функция ограничена.

Теорема 4. (Вейерштрасс). Всякая непрерывная на отрезке функция имеет на этом отрезке как наибольшее, так и наименьшее значение.

Теорема 5. (Коши). Непрерывная на отрезке функция, принимающая какие-либо два значения, принимает и любое промежуточное.

Следствие из теоремы Коши. Если функция непрерывна на отрезке и на его концах принимает значения разного знака, то на этом отрезке существует точка, в которой функция обращается в ноль.

Заметим, что последний факт полезен при нахождении корней уравнений точно или приближенно.

Эта лекция взята из раздела о предмете высшая математика, там вы найдёте другие лекци по всем темам высшей математики:

Другие темы которые вам помогут понять высшую математику:

Непрерывность и разрывы функций

Непрерывная функция — функция, которая меняется без мгновенных «скачков» (называемых разрывами), то есть такая, малые изменения аргумента которой приводят к малым изменениям значения функции.

Определение непрерывности функции в точке. Непрерывность основных элементарных функций

Понятие непрерывности функции тесно связано с ее пределом. Оно является характеристикой многих процессов, происходящих непрерывно: непрерывность времени, непрерывность изменения температуры, непрерывность роста дохода и др.

Пусть функция , с областью определения , определенная в точке , которой соответствует значение функции , и — произвольная точка из некоторой окрестности точки (рис. 14.1).

Рис. 14.1

Величина, на которую изменилось значение аргумента при переходе от точки в , называется приростом аргумента в точке :

а соответствующее изменение значения функции называют приростом функции в точке :

или

Приросты могут быть как положительными, так и отрицательными; например, на рис. 14.1 , при этом .

Функция называется непрерывной в точке , если в этой точке она определена и бесконечно малому приращению аргумента соответствует бесконечно малый прирост функции, а именно 

Заметим, что при определении непрерывности, в отличие от границы, функция в точке обязательно должна быть определена.

Покажем, что функция  непрерывна в каждой точке  области определения . Действительно, предоставим значению аргумента , прирост , тогда .

Найдем границу прироста функции при :

Поскольку — произвольная точка из , то функция непрерывная

Аналогично можно доказать непрерывность любой из основных элементарных функций

Теорема 14.1 (о непрерывности основных элементарных функций). Основные элементарные функции непрерывные в каждой точке своей области определения.

Доказательство осуществляется для каждой функции отдельно.

Теорема 14.2 (критерий непрерывности «языком границы»). Функция непрерывна в точке тогда и только тогда, когда граница функции в этой точке равна значению функции в ней:

Доказательство. Справедливость (14.4) следует из определения непрерывности и свойств предела.

Необходимость. Исходя из (14.3), имеем:

Если обозначить , то при имеем, что .

Отсюда

Следовательно,

Достаточность. Пусть функция определена в точке и непрерывна в ней.
Тогда в соответствии с определением (14.4)

Таким образом, имеем два определения непрерывности функции в точке, Соответствующие формулам (14.3) и (14 .4):

Функция называется непрерывной на множестве , если она непрерывна в каждой точке этого множества.

Замечания. Если функция непрерывна в точке , то для вычисления предела функции в этой точке достаточно в выражение функции подставить вместо аргумента его пороговое значение, то есть осуществить предельный переход, в результате которого получим определенное число (а не неопределенность!). Формально это означает, что символ границы и символ функции можно переставлять, а именно:

Например, вычислим границу  в точке 

Теорема 14.3 (критерий непрерывности «языком односторонних границ»). Функция   непрерывна в точке тогда и только тогда, когда односторонние пределы в этой точке равны между собой и равны значению функции в ней:

Доказательство. Действительно, соотношение (14.7) базируется непосредственно на теореме существования конечного предела «языком односторонних границ» и определении непрерывности функции в точке (14.4):

Проверить в точке непрерывность функции:

Вычислим односторонние пределы этой функции:

то есть предел слева не равен пределу справа, следовательно, функция в точке является разрывной.

Рассмотрим далее две функции: и , который является непрерывными в точке .

Теорема 14.4 (о арифметические свойства непрерывных функций). Если функции   непрерывные в точке , то их сумма (разница), произведение, часть (если знаменатель в данной точке не равен нулю) является непрерывной функцией в точке .

Доказательство теоремы осуществляется на основе арифметических свойств предела. Покажем ее справедливость для доли функций.
Согласно (14.4)

Обозначим долю функций через , тогда по свойству предела доли

Предлагаем другие выводы теоремы доказать самостоятельно.

Относительно функций, образованных из основных элементарных функций с помощью суперпозиции, возникает вопрос, какой с точки зрения «непрерывности» будет составлена функция, если ее составляющие являются непрерывными функциями.

Теорема 14.5 (о непрерывности сложной функции). Если функция непрерывна при , а является непрерывной в точке , то составленная функция  непрерывна в точке .

Доказательство. Обозначим закон связи переменной с аргументом через , то есть . Учитывая непрерывность функции , а именно: , найдем границу , когда :

На основании арифметических свойств непрерывных функций, непрерывности сложной функции и теоремы 14.1 (о непрерывности основных элементарных функций) делаем вывод: все элементарные функции непрерывны в каждой точке своей области существования.

Теорема 14.6 (о непрерывности обратной функции). Если функция является определенной, возрастающей (или убывающей) и непрерывной на сегменте , то и обратная к ней функция или , является определенной, возрастающей ( или убывающей) и непрерывной на отрезке (или на отрезке , если функция убывающая) (рис. 14.2):

Рис. 14.2

Разрывы функций и их классификация

Если функция не является непрерывной в точке , то говорят, что в этой точке она имеет разрыв, а точка  называется точкой разрыва. Точки разрыва и сами разрывы классифицируются в зависимости от того, как нарушается критерий непрерывности (14.7):

Различают следующие случаи:
1. Существуют односторонние пределы (конечные), которые равны между собой но или не существует, тогда говорят, что является точкой устранимого разрыва .

Название разрыва «устранимый» связана с тем, что достаточно в той точке, где исследуется непрерывность функции, задать значение функции, которое бы равнялось значению односторонних границ, или изменить значение функции на значение предела в этой точке, то есть положить

Например, классический устранимый разрыв дает функция в точке (рис. 14.3). Поскольку , а

то есть

то для того чтобы функция была непрерывной, достаточно до определить функцию в точке следующим образом:

Рис. 14.3

2. Существуют конечные односторонние пределы, но , тогда называют точкой разрыва I рода.

3. Не существует хотя бы одного из односторонних пределов, или по крайней мере один из них бесконечен, тогда точка является точкой разрыва II рода.

Примером функции, имеющей разрыв второго рода, есть функция , поскольку она не имеет границы в нуле ни слева, ни справа.

Под исследованием на непрерывность функции в некоторой точке понимают установления факта непрерывности (если, конечно, имеет место), или типы разрыва в противном случае.

Если функция элементарная, то исследованию подлежат только точки, в которых функция не определена. При задании функции различными аналитическими выражениями на разных промежутках области существования исследование подлежат точки, которые являются пределами соответствующих промежутков.

Исследовать на непрерывность функцию

Областью определения функции является вся числовая ось, кроме (знаменатель равен нулю). Следовательно, на непрерывность функцию исследуем в точках и 

1) односторонние границы при :

Следовательно, точка — является точкой разрыва II-го рода;

2) односторонние границы при

В точке функция не существует, то есть 

Таким образом точка является точкой устранимого разрыва (рис. 14.4 а).

Исследуем на непрерывность функцию:

Имеем неэлементарную функцию, которую задано тремя формулами. На каждом из указанных промежутков функция непрерывна, как элементарная на области своего существования, следовательно, область определения этой функции . Необходимо рассмотреть точки стыковки элементарных функций различного вида, то есть точки и .

1. Односторонние границы при :

Таким образом, функция в точке  непрерывна.

2. Односторонние границы при :

Поскольку f, то функция в этой точке имеет разрыв І рода (рис. 14.4 б).

Рис. 14.4 б

Исследовать на непрерывность функцию

Область определения функции . В точке односторонние границы:

Рис. 14.4 в

Непрерывность функции на промежутке. Основные теоремы о непрерывных функциях

В теоретических исследованиях и на практике применяются теоремы, которые отражают свойства непрерывных функций не в отдельно взятой точке, а на множестве точек, то есть на промежутке.

Функцию  называют непрерывной на интервале , если она непрерывна в каждой точке интервала. Функцию называют непрерывной на отрезке , если она непрерывна на интервале и, кроме этого, непрерывная дело в точке и — слева в точке .

Сформулированные ниже теоремы примем без доказательства. Для лучшего понимания их содержания подадим в каждой теореме соответствующую геометрическую иллюстрацию, которая поможет, надеемся, осознать справедливость теорем на интуитивном уровне.

Сначала приведены определения. Если функция определена на множестве и существует такое значение , что для всех выполняется условие  , то число f называется наибольшим — , (наименьшим — ) значением функции на множестве .

Теорема 14.7 (о наименьшем и наибольшем значении непрерывной функции). Если функция  непрерывна на отрезке , то среди ее значений на этом отрезке существуют наименьшее и наибольшее (рис. 14.5). То есть для любых выполняется условие:

Если функция задан на интервале или , то она такие свойства может и не иметь.

Рис.14.5

Например, функция ни малейшего, ни наибольшего значений не имеет.

Для функции  на отрезке ; наименьшим является значение , а наибольшим — значение , которое она принимает на концах отрезка.

Функция на отрезке , достигает наименьшего значения , в точке , но не имеет большого значения, так как в точке она не определена.

Функция на отрезке достигает наименьшего значения в точке и наибольшего значения в точке .

Теорема 14.8 (об ограниченности непрерывной функции). Если функция определена и непрерывна на отрезке , то она ограничена на этом отрезке (рис. 14.5), то есть существуют такие числа и , выполняется неравенство:

Теорема 14.9 (о нуле непрерывной функции). Если непрерывна на отрезке и ее значения на концах данного отрезка имеют разные знаки, то между и существует хотя бы одна точка , где , то есть которая является нулем функции (рис. 14.6).

Рис. 14.6

Теорема 14.10 (о промежуточных значениях функции). Если функция непрерывна на отрезке  и ее наименьшим и наибольшим значениями являются, соответственно, и , а число , тогда на отрезке найдется хотя бы одна точка такая, что

Заметим, что все рассмотренные вопросы непрерывности функции являются по сути применением понятия границ к исследованию функций и построения их графиков.