Определение непрерывности по Гейне
Говорят, что функция действительного переменного \(f\left(x \right)\) является непрерывной в точке \(a \in \mathbb{R}\) (\(\mathbb{R}-\)множество действительных чисел), если для любой последовательности \(\left\{ {{x_n}} \right\}\), такой, что \[\lim\limits_{n \to \infty } {x_n} = a,\] выполняется соотношение \[\lim\limits_{n \to \infty } f\left({{x_n}} \right) = f\left(a \right).\] На практике удобно использовать следующие \(3\) условия непрерывности функции \(f\left(x \right)\) в точке \(x = a\) (которые должны выполняться одновременно):
Определение непрерывности по Коши (нотация \(\varepsilon - \delta\))
Рассмотрим функцию \(f\left(x \right)\), которая отображает множество действительных чисел \(\mathbb{R}\) на другое подмножество \(B\) действительных чисел. Говорят, что функция \(f\left(x \right)\) является непрерывной в точке \(a \in \mathbb{R}\), если для любого числа \(\varepsilon > 0\) существует число \(\delta > 0\), такое, что для всех \(x \in \mathbb{R}\), удовлетворяющих соотношению \[\left| {x - a} \right| Определение непрерывности в терминах приращений аргумента и функции
Определение непрерывности можно также сформулировать, используя приращения аргумента и функции. Функция является непрерывной в точке \(x = a\), если справедливо равенство \[\lim\limits_{\Delta x \to 0} \Delta y = \lim\limits_{\Delta x \to 0} \left[ {f\left({a + \Delta x} \right) - f\left(a \right)} \right] = 0,\] где \(\Delta x = x - a\).
Приведенные определения непрерывности функции эквивалентны на множестве действительных чисел.
Функция является непрерывной на данном интервале , если она непрерывна в каждой точке этого интервала.
Теоремы непрерывности
Теорема 1.Теорема 2.
Даны две функции \({f\left(x \right)}\) и \({g\left(x \right)}\), непрерывные в точке \(x = a\). Тогда сумма этих функций
\({f\left(x \right)} + {g\left(x \right)}\) также непрерывна в точке \(x = a\).
Теорема 3.
Предположим, что две функции \({f\left(x \right)}\) и \({g\left(x \right)}\) непрерывны в точке \(x = a\). Тогда произведение этих функций
\({f\left(x \right)} {g\left(x \right)}\) также непрерывно в точке \(x = a\).
Теорема 4.
Даны две функции \({f\left(x \right)}\) и \({g\left(x \right)}\), непрерывные при \(x = a\). Тогда отношение этих функций
\(\large\frac{{f\left(x \right)}}{{g\left(x \right)}}\normalsize\) также непрерывно при \(x = a\) при условии, что
\({g\left(a \right)} \ne 0\).
Теорема 5.
Предположим, что функция \({f\left(x \right)}\) является дифференцируемой в точке \(x = a\).
Тогда функция \({f\left(x \right)}\) непрерывна в этой точке (т.е. из дифференцируемости следует непрерывность функции
в точке; обратное − неверно).
Теорема 6 (Теорема о предельном значении).
Если функция \({f\left(x \right)}\) непрерывна на закрытом и ограниченном интервале \(\left[ {a,b} \right]\),
то она ограничена сверху и снизу на данном интервале. Другими словами, существуют числа \(m\) и \(M\), такие, что
\
для всех \(x\) в интервале \(\left[ {a,b} \right]\) (рисунок 1).
|
||
Рис.1 |
Рис.2 |
Непрерывность элементарных функций
Все элементарные функции являются непрерывными в любой точке свой области определения.
Функция называется элементарной
, если она построена из конечного числа композиций и комбинаций
(с использованием
\(4\) действий - сложение, вычитание, умножение и деление)
.
Множество основных элементарных функций
включает в себя:
Непрерывная функция представляет собой функцию без «скачков», то есть такую, для которой выполняется условие: малым изменениям аргумента следуют малые изменения соответствующих значений функции. График подобной функции представляет из себя плавную или непрерывную кривую.
Непрерывность в точке, предельной для некоторого множества, можно определить с помощью понятия предела, а именно: функция должна иметь в этой точке предел, который равен ее значению в предельной точке.
При нарушении этих условий в некоторой точке, говорят, что функция в данной точке терпит разрыв, то есть ее непрерывность нарушается. На языке пределов точку разрыва можно описать как несовпадение значения функции в разрывной точке с пределом функции (если он существует).
Точка разрыва может быть устранимой, для этого необходимо существование предела функции, но несовпадающего с его значением в заданной точке. В этом случае ее в этой точке можно «поправить», то есть доопределить до непрерывности.
Совсем иная картина складывается, если предела функции в заданной существует. Возможно два варианта точек разрыва:
Свойства непрерывных функций
Отметим некоторые из непрерывных (на области их определения) элементарных функций:
Между двумя фундаментальными понятиями в математике - непрерывностью и дифференцируемостью - существует неразрывная связь. Достаточно только вспомнить, что для дифференцируемости функции необходимо, чтобы это была непрерывная функция.
Если же функция в некоторой точке дифференцируема, то там она непрерывна. Однако совсем не обязательно, чтобы и ее производная была непрерывной.
Функция, имеющая на некотором множестве непрерывную производную, принадлежит отдельному классу гладких функций. Иначе говоря, это - непрерывно дифференцируемая функция. Если же производная имеет ограниченное количество точек разрыва (только первого рода), то подобную функцию называют кусочно гладкой.
Еще одним важным понятием является равномерная непрерывность функции, то есть ее способность быть в любой точке своей области определения одинаково непрерывной. Таким образом, это свойство, которое рассматривается на множестве точек, а не в какой-либо отдельно взятой.
Если же зафиксировать точку, то получится не что иное, как определение непрерывности, то есть из наличия равномерной непрерывности вытекает, что перед нами непрерывная функция. Вообще говоря, обратное утверждение неверно. Однако согласно теореме Кантора, если функция непрерывна на компакте, то есть на замкнутом промежутке, то она на нем равномерно непрерывна.
Пусть точка a принадлежит области задания функции f(x) и любая ε -окрестность точки a содержит отличные от a точки области задания функции f(x) , т.е. точка a является предельной точкой множества {x} , на котором задана функция f(x) .
Определение . Функция f(x) называется непрерывной в точке a , если функция f(x) имеет в точке a предел и этот предел равен частному значению f(a) функции f(x) в точке a .
Из этого определения имеем следующее условие непрерывности функции f(x) в точке a :
Так как , то мы можем записать
Следовательно, для непрерывной в точке a функции символ предельного перехода и символ f характеристики функции можно менять местами.
Определение . Функция f(x) называется непрерывной справа (слева) в точке a , если правый (левый) предел этой функции в точке a существует и равен частному значению f(a) функции f(x) в точке a .
Тот факт, что функция f(x) непрерывна в точке a справа записывают так:
А непрерывность функции f(x) в точке a слева записывают как:
Замечание . Точки, в которых функция не обладает свойством непрерывности, называются точками разрыва этой функции.
Теорема . Пусть на одном и том же множестве заданы функции f(x) и g(x) , непрерывные в точке a . Тогда функции f(x)+g(x) , f(x)-g(x) , f(x) · g(x) и f(x)/g(x) - непрерывны в точке a (в случае частного нужно дополнительно требовать g(a) ≠ 0 ).
1) Степенная функция y=x n при натуральном n непрерывна на всей числовой прямой.
Сначала рассмотрим функцию f(x)=x
. По первому определению предела функции в точке a
возьмем любую последовательность {x n }
, сходящуюся к a
, тогда соответствующая последовательность значений функций {f(x n)=x n }
также будет сходиться к a
, то есть 
, то есть функция f(x)=x
непрерывная в любой точек числовой прямой.
Теперь рассмотрим функцию f(x)=x n , где n - натуральное число, тогда f(x)=x · x · … · x . Перейдем к пределу при x → a , получим , то есть функция f(x)=x n непрерывна на числовой прямой.
2) Показательная функция.
Показательная функция y=a x при a>1 является непрерывной функцией в любой точке бесконечной прямой.
Показательная функция y=a x при a>1 удовлетворяет условиям:
3) Логарифмическая функция.
Логарифмическая функция непрерывна и возрастает на всей полупрямой x>0
при a>1
и непрерывна и убывает на всей полупрямой x>0
при 0
4) Гиперболические функции.
Гиперболическими функциями называются следующие функции:
Из определения гиперболических функции следует, что гиперболический косинус, гиперболический синус и гиперболический тангенс заданы на всей числовой оси, а гиперболический котангенс определен всюду на числовой оси, за исключением точки x=0 .
Гиперболические функции непрерывны в каждой точке области их задания (это следует из непрерывности показательной функции и теоремы об арифметических действиях).
5) Степенная функция
Степенная функция y=x α =a α log a x непрерывна в каждой точке открытой полупрямой x>0 .
6) Тригонометрические функции.
Функции sin x и cos x непрерывны в каждой точке x бесконечной прямой. Функция y=tg x (kπ-π/2,kπ+π/2) , а функция y=ctg x непрерывна на каждом из интервалов ((k-1)π,kπ) (здесь всюду k - любое целое число, т.е. k=0, ±1, ±2, …) .
7) Обратные тригонометрические функции.
Функции y=arcsin x и y=arccos x непрерывны на отрезке [-1, 1] . Функции y=arctg x и y=arcctg x непрерывны на бесконечной прямой.
Теорема . Предел функции (sin x)/x в точке x=0 существует и равен единице, т.е.
Этот предел называется первым замечательным пределом .
Доказательство
. При 0
Эти неравенства справедливы также и для значений x
, удовлетворяющих условиям -π/2
. Так как cos x
- непрерывная функция, то 
. Таким образом, для функций cos x
, 1 и в некоторой δ
-окрестности точки x=0
выполняются все условия теорем. Следовательно, 
.
Теорема
. Предел функции 
при x → ∞
существует и равен числу e
:
Этот предел называется вторым замечательным пределом .
Замечание . Верно также, что
Теорема . Пусть функция x=φ(t) непрерывна в точке a , а функция y=f(x) непрерывна в точке b=φ(a) . Тогда сложная функция y=f[φ(t)]=F(t) непрерывна в точке a .
Пусть x=φ(t) и y=f(x) - простейшие элементарные функции, причем множество значений {x} функции x=φ(t) является областью задания функции y=f(x) . Как мы знаем, элементарные функции непрерывны в каждой точке области задания. Поэтому по предыдущей теореме сложная функция y=f(φ(t)) , то есть суперпозиция двух элементарных функций, непрерывна. Например, функция непрерывна в любой точке x ≠ 0 , как сложная функция от двух элементарных функций x=t -1 и y=sin x . Также функция y=ln sin x непрерывна в любой точке интервалов (2kπ,(2k+1)π) , k ∈ Z (sin x>0 ).
Лекция 4.
Непрерывность функций
1. Непрерывность функции в точке
Определение 1. Пусть функция y =f (x ) определена в точке х 0 и в некоторой окрестности этой точки. Функция y =f (x ) называется непрерывной в точке х 0 , если существует предел функции в этой точке и он равен значению функции в этой точке, т.е.
Таким образом, условие непрерывности функции y =f (x ) в точке х 0 состоит в том, что:
Так
как
,
то равенство (32) можно записать в виде
(33)
Это означает, что при нахождении предела непрерывной функции f (x ) можно перейти к пределу под знаком функции, т.е. в функцию f (x ) вместо аргумента х подставить его предельное значение х 0 .
lim sin x =sin(lim x );
lim arctg x =arctg (lim x ); (34)
lim lоg x =lоg (lim x ).
Задание.
Найти предел: 1)
;
2)
.
Дадим определение непрерывности функции, опираясь на понятия приращения аргумента и функции.
Т.к. условия
и
одинаковы (рис.4), то равенство (32) принимает
вид:
или
.
Определение 2. Функция y =f (x ) называется непрерывной в точке х 0 , если она определена в точке х 0 и её окрестности, и бесконечно малому приращению аргумента соответствует бесконечно малое приращение функции.
Задание. Исследовать на непрерывность функцию y =2х 2 1.
Свойства функций, непрервных в точке
1. Если функции
f
(x
)
и φ
(x
) непрерывны
в точке х
0 , то их сумма
,
произведение
и частное
(при условии
)
являются функциями, непрерывными в
точке х
0 .
2. Если функция у =f (x ) непрерывна в точке х 0 и f (x 0)>0, то существует такая окрестность точки х 0 , в которой f (x )>0.
3. Если функция у =f (u ) непрерывна в точке u 0 , а функция u=φ (x ) непрерывна в точке u 0 =φ (x 0 ), то сложная функция y =f [φ (x )] непрерывна в точке х 0 .
2. Непрерывность функции в интервале и на отрезке
Функция y =f (x ) называется непрерывной в интервале (a ; b ), если она непрерывна в каждой точке этого интервала.
Функция
y
=f
(x
)
называется непрерывной на отрезке
[a
;
b
],
если она непрерывна в интервале (a
;
b
),
и в точке х
=а
непрерывна справа
(т.е.
),
а в точке x
=b
непрерывна слева (т.е.
).
3. Точки разрыва функции и их классификация
Точки, в которых нарушается непрерывность функции, называются точками разрыва этой функции.
Если х =х 0 точка разрыва функции y =f (x ), то в ней не выполняется по крайней мере одно из условий первого определения непрерывности функции.
Пример.
1.
. 2.
3)
4)
.
▼Точка
разрыва х
0 называется точкой
разрыва первого рода
функции y
=f
(x
),
если в этой точке существуют конечные
пределы функции слева и справа
(односторонние пределы), т.е.
и
.
При этом:
Величину |A 1 -A 2 | называют скачком функции в точке разрыва первого рода. ▲
▼Точка разрыва х 0 называется точкой разрыва второго рода функции y =f (x ), если по крайней мере один из односторонних пределов (слева или справа) не существует или равен бесконечности. ▲
Задание. Найти точки разрыва и выяснить их тип для функций:
1)
;
2)
.
4. Основные теоремы о непрерывных функциях
Теоремы о непрерывности функций следуют непосредственно из соответствующих теорем о пределах.
Теорема 1. Сумма, произведение и частное двух непрерывных функций есть функция непрерывная (для частного за исключением тех значений аргумента, в которых делитель не равен нулю).
Теорема 2. Пусть функции u =φ (x ) непрерывна в точке х 0 , а функция y =f (u ) непрерывна в точке u =φ (x 0 ). Тогда сложная функция f (φ (x )), состоящая из непрерывных функций, непрерывна в точке х 0 .
Теорема 3. Если функция y =f (x ) непрерывна и строго монотонна на [a ; b ] оси Ох , то обратная функция у =φ (x ) также непрерывна и монотонна на соответствующем отрезке [c ;d ] оси Оу.
Всякая элементарная функция непрерывна в каждой точке, в которой она определена.
5. Свойства функций, непрерывных на отрезке
Теорема Вейерштрасса. Если функция непрерывна на отрезке, то она достигает на этом отрезке своего наибольшего и наименьшего значений.
Следствие. Если функция непрерывна на отрезке, то она ограничена на отрезке.
Теорема
Больцано-Коши.
Если функция y
=f
(x
)
непрерывна на отрезке [a
;
b
]
и принимает на его концах неравные
значения f
(a
)=A
и f
(b
)=B
,
,
то каково бы ни было число С
,
заключённое между А
и В,
найдётся
точка
такая, что f
(c
)=C
.
Геометрически теорема очевидна. Для любого числа С , заключённого между А и В , найдётся точка с внутри этого отрезка такая, что f (С )=C . Прямая у =С пересечёт график функции по крайней мере в одной точке.
Следствие. Если функция y =f (x ) непрерывна на отрезке [a ; b ] и принимает на его концах значения разных знаков, то внутри отрезка [a ; b ] найдётся хотя бы одна точка с , в которой функция y =f (x ) обращается в нуль: f (c )=0.
Геометрический смысл теоремы: если график непрерывной функции переходит с одной стороны оси Ох на другую, то он пересекает ось Ох .
Определение. Пусть на некотором промежутке определена функция f(x) и x 0 – точка этого промежутка. Если , то f(x) называется непрерывной в точке x 0 .
, то есть операции f и lim перестановочны. Соответственно двум определениям предела функции в точке можно дать два определения непрерывности – «на языке последовательностей» и «на языке неравенств» (на языке ε-δ). Предлагается это сделать самостоятельно.
Пример №1
. Доказать, что функция y=sinx непрерывна при любом значении x .
Решение.
Пусть x 0 – произвольная точка. Придавая ей приращение Δx, получим точку x=x 0 +Δx. Тогда Δy=f(x)-f(x 0) = sin(x 0 +Δx)-sin(x) = 
. Получаем 
.
Определение
. Функция y=f(x) называется непрерывной в точке x 0 справа (слева), если
.
Функция, непрерывная во внутренней точке, будет одновременно непрерывной справа и слева. Справедливо и обратное утверждение: если функция непрерывна в точке слева и справа, то она будет непрерывной в этой точке. Однако функция может быть непрерывной только с одной стороны. Например, для 
, 
, f(1)=1, следовательно, эта функция непрерывна только слева (график этой функции см. выше в пункте 5.7.2).
Определение.
Функция называется непрерывной на некотором промежутке, если она непрерывна в каждой точке этого промежутка.
В частности, если промежутком является отрезок , то на его концах подразумевается односторонняя непрерывность.
;
имеет разрыв в точке x=1, являющейся смежной для двух промежутков (-∞,1) и (1,∞) области определения f(x) и не существует.
Для точек разрыва принята следующая классификация.
1) Если в точке x 0 имеются конечные 
и 
, но f(x 0 +0)≠f(x 0 -0), то x 0 называется точкой разрыва первого рода
, при этом называют скачком функции
.
Пример 2.
Рассмотрим функцию 
Разрыв функции возможен только в точке x=2 (в остальных точках она непрерывна как всякий многочлен).
Найдем 
, 
. Так как односторонние пределы конечны, но не равны друг другу, то в точке x=2 функция имеет разрыв первого рода. Заметим, что 
, следовательно функция в этой точке непрерывна справа (рис. 2).
2) Точками разрыва второго рода
называются точки, в которых хотя бы один из односторонних пределов равен ∞ или не существует.
Пример 3.
Функция y=2 1/ x непрерывна для всех значений x, кроме x=0. Найдем односторонние пределы: 
, 
, следовательно x=0 – точка разрыва второго рода (рис. 3).
3) Точка x=x 0 называется точкой устранимого разрыва
, если f(x 0 +0)=f(x 0 -0)≠f(x 0).
Разрыв «устраним» в том смысле, что достаточно изменить (доопределить или переопределить) значение функции в этой точке, положив , и функция станет непрерывной в точке x 0 .
Пример 4.
Известно, что 
, причем этот предел не зависит от способа стремления x к нулю. Но функция в точке x=0 не определена. Если доопределим функцию, положив f(0)=1, то она окажется непрерывной в этой точке (в остальных точках она непрерывна как частное непрерывных функций sinx и x).
Пример 5.
Исследовать на непрерывность функцию 
.
Решение.
Функции y=x 3 и y=2x определены и непрерывны всюду, в том числе и в указанных промежутках. Исследуем точку стыка промежутков x=0:
, 
, . Получаем, что , откуда следует, что в точке x=0 функция непрерывна.
Определение.
Функция, непрерывная на промежутке за исключением конечного числа точек разрыва первого рода или устранимого разрыва, называется кусочно-непрерывной на этом промежутке.
Пример 1.
Функция определена и непрерывна на (-∞,+∞) за исключением точки x=2. Определим тип разрыва. Поскольку 
и 
, то в точке x=2 разрыв второго рода (рис. 6).
Пример 2.
Функция определена и непрерывна при всех x, кроме x=0, где знаменатель равен нулю. Найдем односторонние пределы в точке x=0:
Пример 3.
Установить, в каких точках и какого рода разрывы имеет функция 
Пример 4.
Можно ли устранить разрывы функций:
а) 
в точке x=2;
б) 
в точке x=2;
в) 
в точке x=1?
Решение.
О примере а) сразу можно сказать, что разрыв f(x) в точке x=2 устранить невозможно, так как в этой точке бесконечные односторонние пределы (см. пример 1).
б) Функция g(x) хотя имеет конечные односторонние пределы в точке x=2
(
,
),
Пример №5
. Показать, что функция Дирихле
разрывна в каждой точке числовой оси.
Решение.
Пусть x 0 – любая точка из (-∞,+∞). В любой ее окрестности найдутся как рациональные, так и иррациональные точки. Значит, в любой окрестности x 0 функция будет иметь значения, равные 0 и 1. В таком случае не может существовать предела функции в точке x 0 ни слева, ни справа, значит функция Дирихле в каждой точке числовой оси имеет разрывы второго рода.
Пример 6. Найти точки разрыва функции
, откуда следует, что x=3 – точка разрыва первого рода.
Для самостоятельного решения.
Исследовать функции на непрерывность и определить тип точек разрыва:
1) 
; Ответ: x=-1 – точка устранимого разрыва;
2) 
; Ответ: Разрыв второго рода в точке x=8;
3) 
; Ответ: Разрыв первого рода при x=1;
4) 
Ответ: В точке x 1 =-5 устранимый разрыв, в x 2 =1 – разрыв второго рода и в точке x 3 =0 - разрыв первого рода.
5) Как следует выбрать число A, чтобы функция
была бы непрерывной в точке x=0?
Ответ: A=2.
6) Можно ли подобрать число A так, чтобы функция
была бы непрерывной в точке x=2?
Ответ: нет.
