Определение предела функции

Теоретическая сводка

Дорогой читатель, обращаю Ваше внимение на то, что все задачи данного раздела особенно трудные и имеют сугубо теоретическую ценность. Если у Вас не получается разобрать данный материал — не отчаивайтесь, рассмотрите следующие разделы и возвращайтесь к этой теме позднее!

Окрестностью точки a называется любой интервал U_a = \left( \alpha, \beta \right) \subset \mathbb{R}, содержащий эту точку. Интервал

    \[  U_{a}\left( \epsilon \right) \overset{\text{def}}{=} \left( a - \epsilon, a + \epsilon \right) = \left\{ x \in \mathbb{R}: \ \left| x - a \right| < \epsilon \right\}   \]

называется \epsilon-окрестностью точки a. Множество

    \[    U^{\circ}_a = U_a \setminus \left\{ a \right\}  \; \; \: \left( U^{\circ}_a\left( \epsilon \right) = U_a\left( \epsilon \right) \setminus \left\{ a \right\}  \right)   \]

называется проколотой (\epsilon-) окрестностью точки a.

Окрестностью бесконечности \infty называется любое множество

    \[  U_\infty = \left( -\infty, \alpha \right) \cup \left( \beta, +\infty \right) \subset \mathbb{R}  .\]

Аналогично вводятся окрестности минус \left( -\infty \right) и плюс \left( +\infty \right) бесконечностей

    \[  U_{-\infty} = \left( -\infty, \alpha \right) \subset \mathbb{R}, \; \; \: U_{+\infty} = \left( \beta, +\infty \right) \subset \mathbb{R}  .\]

Элемент a \in D называется предельной точкой множества D, если в любой окрестности этой точки найдётся хоть один элемент из D, т. е.

    \[  \forall U_{a} \; \; \: \exists x \in D : \; \; \: x \in D  .\]

Если точка множества не является предельной, её называют изолированной.

Пусть задана некоторая функция f: D \to X \subset \mathbb{R} и a \in D — предельная точка области определения D функции. Следующее определение называется определением предела функции по Коши (на языке \epsilon\delta).

Число b \in \mathbb{R} называется пределом функции f в точке a, если справедливо

    \[  \forall \epsilon >0 \; \; \: \exists \delta\left( \epsilon \right) >0 \; \; \: \forall x \in D: \; \; \: 0<\left| x - a \right| < \delta \implies \left| f\left( x \right) - b \right| < \epsilon  .\]

Этот факт обозначается следующим образом

    \[  \lim_{x \to a} f\left( x \right) = b \; \; \: \left( f\left( x \right) \to b, \ x\to a \right)   .\]

То же определение предела функции по Коши, но на языке окрестностей выглядит так

    \[    \forall V_{b} \; \; \: \exists U_a^{\circ}: \; \; \: f\left( U_a^{\circ} \cap D \right) \subset V_b \]

или

    \[    \forall \epsilon > 0 \; \; \: \exists \delta >0: \; \; \: f\left( U_a^{\circ}\left( \delta \right)  \cap D \right) \subset V_b\left( \epsilon \right) .\]

Пусть снова задана функция f: D \to X \subset \mathbb{R} и a \in D — предельная точка D. Следующее определение называется определением предела функции по Гейне.

Число b \in \mathbb{R} называется пределом функции f в точке a, если выполняется

    \[ \forall \left\{ x_n \right\} \subset D \setminus \left\{ a \right\}, \ x_n \to a \ \left(  n\to \infty\right) : \; \; \: \lim_{n \to \infty} f\left( x_n \right) = b .\]

Согласно критерию Гейне определения предела по Коши и по Гейне равносильны.

Пусть задана функция f: D \to X \subset \mathbb{R}, при этом D не ограничена сверху (снизу, сверху и снизу). Число b называется пределом функции f на +\infty (-\infty, \ \infty), если

    \begin{align*}   &\forall \epsilon > 0 \; \; \: \exists \Delta >0 \; \; \: \forall x \in D: \; \; \: x > \Delta \implies \left| f\left( x \right) - b \right| < \epsilon \\   \bigr( &\forall \epsilon > 0 \; \; \: \exists \Delta >0 \; \; \: \forall x \in D: \; \; \: x < -\Delta \implies \left| f\left( x \right) - b \right| < \epsilon, \\  &\forall \epsilon > 0 \; \; \: \exists \Delta >0 \; \; \: \forall x \in D: \; \; \: \left| x \right| > \Delta \implies \left| f\left( x \right) - b \right| < \epsilon \bigr) .\end{align*}

Функция называется бесконечно большой при x\to a, если

    \[ \lim_{x \to a} f\left( x \right) = \infty \xLeftrightarrow{\text{def}} \forall A>0 \; \; \: \exists \delta >0 \; \; \: \forall x \in D: \; \; \: 0 < \left| x - a \right| < \delta \implies \left| f\left( x \right)  \right| > A .\]

Заменяя \left| f\left( x \right)  \right| > A на f\left( x \right) > A и f\left( x \right) < -A соответственно, получают знакоопределённые бесконечно большие пределы

    \[ \lim_{x \to a} f\left( x \right) = +\infty, \; \; \: \lim_{x \to a} f\left( x \right) = -\infty .\]

Аналогично определяются бесконечно большие функции при x\to \infty, x\to \pm \infty.

Пусть задана функция f: D \to X \subset \mathbb{R} и a — предельная точка D. Число b называется правым (левым) пределом функции f в точке a, если

    \begin{align*}   &\forall \epsilon >0 \; \; \: \exists \delta >0 \; \; \: \forall x \in D: \; \; \: 0 < x-a < \delta \to \left| f\left( x \right) -b \right| < \epsilon \\   \bigr( &\forall \epsilon >0 \; \; \: \exists \delta >0 \; \; \: \forall x \in D: \; \; \: 0 < a-x < \delta \to \left| f\left( x \right) -b \right| < \epsilon \bigr) ,\end{align*}

и обозначается

    \[ \lim_{x \to a+0} f\left( x \right) = f\left( a +0 \right) \; \; \: \left( \lim_{x \to a-0} f\left( x \right) = f\left( a -0 \right) \right)  .\]

Правый и левый пределы называются односторонними пределами. Справедлив следующий критерий существования предела функции: функция имеет предел тогда и только тогда, когда оба её односторонних предела существуют, и они равны.

Задачи и упражнения

Уровни сложности задач

простая задача

средняя задача

сложная задача

олимпиадная задача

Задача средняя (1)

Сформулировать следующие утверждения в соответствии с определением предела по Коши (на языке \epsilon-\delta и на языке окрестностей) и по Гейне

    \begin{align*}  1) & \lim_{x \to a} f\left( x \right) = b,  &13)& \lim_{x \to a+0} f\left( x \right) = \infty,  \\  2) & \lim_{x \to a-0} f\left( x \right) = b,  &14)& \lim_{x \to a+0} f\left( x \right) = -\infty,  \\  3) & \lim_{x \to a+0} f\left( x \right) = b,  &15)& \lim_{x \to a+0} f\left( x \right) = +\infty,  \\  4) & \lim_{x \to \infty} f\left( x \right) = b,  &16)& \lim_{x \to \infty} f\left( x \right) = \infty,  \\  5) & \lim_{x \to -\infty} f\left( x \right) = b,  &17)& \lim_{x \to \infty} f\left( x \right) = -\infty,  \\  6) & \lim_{x \to +\infty} f\left( x \right) = b,  &18)& \lim_{x \to \infty} f\left( x \right) = +\infty,  \\  7) & \lim_{x \to a} f\left( x \right) = \infty,  &19)& \lim_{x \to -\infty} f\left( x \right) = \infty,  \\  8) & \lim_{x \to a} f\left( x \right) = -\infty,  &20)& \lim_{x \to -\infty} f\left( x \right) = -\infty,  \\  9) & \lim_{x \to a} f\left( x \right) = +\infty,  &21)& \lim_{x \to -\infty} f\left( x \right) = +\infty,  \\  10) & \lim_{x \to a-0} f\left( x \right) = \infty,  &22)& \lim_{x \to +\infty} f\left( x \right) = \infty,  \\  11) & \lim_{x \to a-0} f\left( x \right) = -\infty,  &23)& \lim_{x \to +\infty} f\left( x \right) = -\infty,  \\  12) & \lim_{x \to a-0} f\left( x \right) = +\infty,  &24)& \lim_{x \to +\infty} f\left( x \right) = +\infty.\end{align*}

Для каждого из случаев привести пример.

При рассмотрении определений односторонних пределов по Коши на языке окрестностей, сузьте область определения D функции f до множеств

    \[  D_{a-} = D \cap \left(-\infty,  a\right), \; \; \:  D_{a+} = D \cap \left( a, +\infty \right)  .\]

В случае бесконечного возрастания аргумента и/или функции при формулировке определения на языке окрестностей воспользуйтесь окрестностями бесконечностей U_{\infty}, \ U_{-\infty}, U_{+\infty}.

Для удобства введём обозначения

    \[  D_{a-} = D \cap \left(-\infty,  a\right), \; \; \:  D_{a+} = D \cap \left( a, +\infty \right)  .\]

  1. f\left( x \right) \to b, \ x \to a:
  2.     \begin{align*}        \epsilon-\delta: & \; \; \:        \forall \epsilon > 0 \; \; \: \exists \delta >0 \; \; \: \forall x \in D: \; \; \: 0 < \left| x - a \right| < \delta \implies \left| f\left( x \right) - b \right| < \epsilon        , \\        U_{a} : & \; \; \:        \forall V_{b} \; \; \: \exists U_a^{\circ} : \; \; \: f\left( U_a^{\circ} \cap D  \right) \subset V_b        , \\        \text{Heine}: & \; \; \:        \forall \left\{ x_n \right\} \subset D \setminus \left\{ a \right\} , \ x_n \to a \ \left( n\to \infty \right): \; \; \: \lim_{n \to \infty} f\left( x_n \right) = b        , \\        \text{example}: & \; \; \:        \lim_{x \to 2} x^2 = 4        ;      \end{align*}

    Rendered by QuickLaTeX.com

  3. f\left( x \right) \to b, \ x \to a-0:
  4.     \begin{align*}        \epsilon-\delta: & \; \; \:        \forall \epsilon > 0 \; \; \: \exists \delta >0 \; \; \: \forall x \in D: \; \; \: 0 <  a - x < \delta \implies \left| f\left( x \right) - b \right| < \epsilon        , \\        U_{a} : & \; \; \:        \forall V_{b} \; \; \: \exists U_a : \; \; \: f\left( U_a \cap D_{a-} \right) \subset V_b        , \\        \text{Heine}: & \; \; \:        \forall \left\{ x_n \right\} \subset D_{a-} , \ x_n \to a \ \left( n\to \infty \right): \; \; \: \lim_{n \to \infty} f\left( x_n \right) = b        , \\        \text{example}: & \; \; \:        \lim_{x \to -0} \text{sign } x = -1        ;      \end{align*}

    Rendered by QuickLaTeX.com

  5. f\left( x \right) \to b, \ x \to a+0:
  6.     \begin{align*}        \epsilon-\delta: & \; \; \:        \forall \epsilon > 0 \; \; \: \exists \delta >0 \; \; \: \forall x \in D: \; \; \: 0 <  x-a < \delta \implies \left| f\left( x \right) - b \right| < \epsilon        , \\        U_{a} : & \; \; \:        \forall V_{b} \; \; \: \exists U_a : \; \; \: f\left( U_a \cap D_{a+} \right) \subset V_b        , \\        \text{Heine}: & \; \; \:        \forall \left\{ x_n \right\} \subset D_{a+} , \ x_n \to a \ \left( n\to \infty \right): \; \; \: \lim_{n \to \infty} f\left( x_n \right) = b        , \\        \text{example}: & \; \; \:        \lim_{x \to +0} \text{sign } x = 1        ;      \end{align*}

  7. f\left( x \right) \to b, \ x \to \infty:
  8.     \begin{align*}        \epsilon-\delta: & \; \; \:        \forall \epsilon > 0 \; \; \: \exists \Delta >0 \; \; \: \forall x \in D: \; \; \: \left| x \right| > \Delta  \implies \left| f\left( x \right) - b \right| < \epsilon        , \\        U_{a} : & \; \; \:        \forall V_{b} \; \; \: \exists U_\infty : \; \; \: f\left( U_\infty \cap D  \right) \subset V_b        , \\        \text{Heine}: & \; \; \:        \forall \left\{ x_n \right\} \subset D, \ x_n \to \infty \ \left( n \to \infty \right): \; \; \: \lim_{n \to \infty} f\left( x_n \right) = b        , \\        \text{example}: & \; \; \:        \lim_{x \to \infty} \frac{1}{x} = 0        ;      \end{align*}

    Rendered by QuickLaTeX.com

  9. f\left( x \right) \to b, \ x \to -\infty:
  10.     \begin{align*}        \epsilon-\delta: & \; \; \:        \forall \epsilon > 0 \; \; \: \exists \Delta >0 \; \; \: \forall x \in D: \; \; \:  x < -\Delta  \implies \left| f\left( x \right) - b \right| < \epsilon        , \\        U_{a} : & \; \; \:        \forall V_{b} \; \; \: \exists U_{-\infty} : \; \; \: f\left( U_{-\infty} \cap D  \right) \subset V_b        , \\        \text{Heine}: & \; \; \:        \forall \left\{ x_n \right\} \subset D, \ x_n \to -\infty \ \left( n \to \infty \right): \; \; \: \lim_{n \to \infty} f\left( x_n \right) = b        , \\        \text{example}: & \; \; \:        \lim_{x \to -\infty} e^{x} = 0        ;      \end{align*}

    Rendered by QuickLaTeX.com

  11. f\left( x \right) \to b, \ x \to +\infty:
  12.     \begin{align*}        \epsilon-\delta: & \; \; \:        \forall \epsilon > 0 \; \; \: \exists \Delta >0 \; \; \: \forall x \in D: \; \; \:  x > \Delta  \implies \left| f\left( x \right) - b \right| < \epsilon        , \\        U_{a} : & \; \; \:        \forall V_{b} \; \; \: \exists U_{+\infty} : \; \; \: f\left( U_{+\infty} \cap D  \right) \subset V_b        , \\        \text{Heine}: & \; \; \:        \forall \left\{ x_n \right\} \subset D, \ x_n \to +\infty \ \left( n \to \infty \right): \; \; \: \lim_{n \to \infty} f\left( x_n \right) = b        , \\        \text{example}: & \; \; \:        \lim_{x \to +\infty} \frac{1}{\ln x} = 0        ;      \end{align*}

    Rendered by QuickLaTeX.com

  13. f\left( x \right) \to \infty, \ x \to a:
  14.     \begin{align*}        \epsilon-\delta: & \; \; \:        \forall E > 0 \; \; \: \exists \delta >0 \; \; \: \forall x \in D: \; \; \: 0 < \left| x - a \right| < \delta \implies \left| f\left( x \right) \right| > E        , \\        U_{a} : & \; \; \:        \forall V_{\infty} \; \; \: \exists U_a^{\circ} : \; \; \: f\left( U_a^{\circ} \cap D  \right) \subset V_\infty        , \\        \text{Heine}: & \; \; \:        \forall \left\{ x_n \right\} \subset D \setminus \left\{ a \right\} , \ x_n \to a \ \left( n\to \infty \right): \; \; \: \lim_{n \to \infty} f\left( x_n \right) = \infty        , \\        \text{example}: & \; \; \:        \lim_{x \to 1} \frac{1}{1 - x} = \infty        ;      \end{align*}

    Rendered by QuickLaTeX.com

  15. f\left( x \right) \to -\infty, \ x \to a:
  16.     \begin{align*}        \epsilon-\delta: & \; \; \:        \forall E > 0 \; \; \: \exists \delta >0 \; \; \: \forall x \in D: \; \; \: 0 < \left| x - a \right| < \delta \implies  f\left( x \right) < -E        , \\        U_{a} : & \; \; \:        \forall V_{-\infty} \; \; \: \exists U_a^{\circ} : \; \; \: f\left( U_a^{\circ} \cap D  \right) \subset V_{-\infty}        , \\        \text{Heine}: & \; \; \:        \forall \left\{ x_n \right\} \subset D \setminus \left\{ a \right\} , \ x_n \to a \ \left( n\to \infty \right): \; \; \: \lim_{n \to \infty} f\left( x_n \right) = -\infty        , \\        \text{example}: & \; \; \:        \lim_{x \to 0} -\frac{1}{x^2} = -\infty        ;      \end{align*}

    Rendered by QuickLaTeX.com

  17. f\left( x \right) \to +\infty, \ x \to a:
  18.     \begin{align*}        \epsilon-\delta: & \; \; \:        \forall E > 0 \; \; \: \exists \delta >0 \; \; \: \forall x \in D: \; \; \: 0 < \left| x - a \right| < \delta \implies  f\left( x \right) > E        , \\        U_{a} : & \; \; \:        \forall V_{+\infty} \; \; \: \exists U_a^{\circ} : \; \; \: f\left( U_a^{\circ} \cap D  \right) \subset V_{+\infty}        , \\        \text{Heine}: & \; \; \:        \forall \left\{ x_n \right\} \subset D \setminus \left\{ a \right\} , \ x_n \to a \ \left( n\to \infty \right): \; \; \: \lim_{n \to \infty} f\left( x_n \right) = +\infty        , \\        \text{example}: & \; \; \:        \lim_{x \to 2} \frac{1}{\left( x -2 \right)^{4} } = +\infty        ;      \end{align*}

    Rendered by QuickLaTeX.com

  19. f\left( x \right) \to \infty, \ x \to a-0:
  20.     \begin{align*}        \epsilon-\delta: & \; \; \:        \forall E > 0 \; \; \: \exists \delta >0 \; \; \: \forall x \in D: \; \; \: 0 <  a - x < \delta \implies \left| f\left( x \right) \right| > E        , \\        U_{a} : & \; \; \:        \forall V_{\infty} \; \; \: \exists U_a : \; \; \: f\left( U_a \cap D_{a-} \right) \subset V_{\infty}        , \\        \text{Heine}: & \; \; \:        \forall \left\{ x_n \right\} \subset D_{a-} , \ x_n \to a \ \left( n\to \infty \right): \; \; \: \lim_{n \to \infty} f\left( x_n \right) = \infty        , \\        \text{example}: & \; \; \:        \lim_{x \to -0} \frac{1}{x} \cdot Q\left( x \right)  = \infty, \; \; \: Q\left( x \right) =        \begin{cases}          -1, & x \in \mathbb{Q} \\          1, & x \in \mathbb{I} = \mathbb{R} \setminus \mathbb{Q}        \end{cases}        ;      \end{align*}

    Rendered by QuickLaTeX.com

  21. f\left( x \right) \to -\infty, \ x \to a-0:
  22.     \begin{align*}        \epsilon-\delta: & \; \; \:        \forall E > 0 \; \; \: \exists \delta >0 \; \; \: \forall x \in D: \; \; \: 0 <  a - x < \delta \implies f\left( x \right) < -E        , \\        U_{a} : & \; \; \:        \forall V_{-\infty} \; \; \: \exists U_a : \; \; \: f\left( U_a \cap D_{a-} \right) \subset V_{-\infty}        , \\        \text{Heine}: & \; \; \:        \forall \left\{ x_n \right\} \subset D_{a-} , \ x_n \to a \ \left( n\to \infty \right): \; \; \: \lim_{n \to \infty} f\left( x_n \right) = -\infty        , \\        \text{example}: & \; \; \:        \lim_{x \to -1-0} \frac{1}{x + 1} = -\infty        ;      \end{align*}

    Rendered by QuickLaTeX.com

  23. f\left( x \right) \to +\infty, \ x \to a-0:
  24.     \begin{align*}        \epsilon-\delta: & \; \; \:        \forall E > 0 \; \; \: \exists \delta >0 \; \; \: \forall x \in D: \; \; \: 0 <  a - x < \delta \implies f\left( x \right) > E        , \\        U_{a} : & \; \; \:        \forall V_{+\infty} \; \; \: \exists U_a : \; \; \: f\left( U_a \cap D_{a-} \right) \subset V_{+\infty}        , \\        \text{Heine}: & \; \; \:        \forall \left\{ x_n \right\} \subset D_{a-} , \ x_n \to a \ \left( n\to \infty \right): \; \; \: \lim_{n \to \infty} f\left( x_n \right) = +\infty        , \\        \text{example}: & \; \; \:        \lim_{x \to -0} -\frac{1}{x} = +\infty         ;      \end{align*}

    Rendered by QuickLaTeX.com

  25. f\left( x \right) \to \infty, \ x \to a+0:
  26.     \begin{align*}        \epsilon-\delta: & \; \; \:        \forall E > 0 \; \; \: \exists \delta >0 \; \; \: \forall x \in D: \; \; \: 0 <  x-a < \delta \implies \left| f\left( x \right) \right| > E        , \\        U_{a} : & \; \; \:        \forall V_{\infty} \; \; \: \exists U_a : \; \; \: f\left( U_a \cap D_{a+} \right) \subset V_{\infty}        , \\        \text{Heine}: & \; \; \:        \forall \left\{ x_n \right\} \subset D_{a+} , \ x_n \to a \ \left( n\to \infty \right): \; \; \: \lim_{n \to \infty} f\left( x_n \right) = \infty        , \\        \text{example}: & \; \; \:        \lim_{x \to +0} \ln \left( x \right)  \cdot Q\left( x \right)  = \infty, \; \; \: Q\left( x \right) =        \begin{cases}          -1, & x \in \mathbb{Q} \\          1, & x \in \mathbb{I} = \mathbb{R} \setminus \mathbb{Q}        \end{cases}        ;      \end{align*}

    Rendered by QuickLaTeX.com

  27. f\left( x \right) \to -\infty, \ x \to a+0:
  28.     \begin{align*}        \epsilon-\delta: & \; \; \:        \forall E > 0 \; \; \: \exists \delta >0 \; \; \: \forall x \in D: \; \; \: 0 <  x - a < \delta \implies f\left( x \right) < -E        , \\        U_{a} : & \; \; \:        \forall V_{-\infty} \; \; \: \exists U_a : \; \; \: f\left( U_a \cap D_{a+} \right) \subset V_{-\infty}        , \\        \text{Heine}: & \; \; \:        \forall \left\{ x_n \right\} \subset D_{a+} , \ x_n \to a \ \left( n\to \infty \right): \; \; \: \lim_{n \to \infty} f\left( x_n \right) = -\infty        , \\        \text{example}: & \; \; \:        \lim_{x \to \pi+0} \frac{1}{\sin x} = -\infty         ;      \end{align*}

    Rendered by QuickLaTeX.com

  29. f\left( x \right) \to +\infty, \ x \to a+0:
  30.     \begin{align*}        \epsilon-\delta: & \; \; \:        \forall E > 0 \; \; \: \exists \delta >0 \; \; \: \forall x \in D: \; \; \: 0 <  x-a < \delta \implies f\left( x \right) > E        , \\        U_{a} : & \; \; \:        \forall V_{+\infty} \; \; \: \exists U_a : \; \; \: f\left( U_a \cap D_{a+} \right) \subset V_{+\infty}        , \\        \text{Heine}: & \; \; \:        \forall \left\{ x_n \right\} \subset D_{a+} , \ x_n \to a \ \left( n\to \infty \right): \; \; \: \lim_{n \to \infty} f\left( x_n \right) = +\infty        , \\        \text{example}: & \; \; \:        \lim_{x \to +0} \ctg x = +\infty         ;      \end{align*}

    Rendered by QuickLaTeX.com

  31. f\left( x \right) \to \infty, \ x \to \infty:
  32.     \begin{align*}        \epsilon-\delta: & \; \; \:        \forall E > 0 \; \; \: \exists \Delta >0 \; \; \: \forall x \in D: \; \; \: \left| x \right| > \Delta  \implies \left| f\left( x \right) \right| > E        , \\        U_{a} : & \; \; \:        \forall V_{\infty} \; \; \: \exists U_\infty : \; \; \: f\left( U_\infty \cap D  \right) \subset V_{\infty}        , \\        \text{Heine}: & \; \; \:        \forall \left\{ x_n \right\} \subset D, \ x_n \to \infty \ \left( n \to \infty \right): \; \; \: \lim_{n \to \infty} f\left( x_n \right) = \infty        , \\        \text{example}: & \; \; \:        \lim_{x \to \infty} x \cdot Q\left( x \right)  = \infty, \; \; \: Q\left( x \right) =        \begin{cases}          -1, & x \in \mathbb{Q} \\          1, & x \in \mathbb{I} = \mathbb{R} \setminus \mathbb{Q}        \end{cases}        ;      \end{align*}

    Rendered by QuickLaTeX.com

  33. f\left( x \right) \to -\infty, \ x \to \infty:
  34.     \begin{align*}        \epsilon-\delta: & \; \; \:        \forall E > 0 \; \; \: \exists \Delta >0 \; \; \: \forall x \in D: \; \; \: \left| x \right| > \Delta  \implies f\left( x \right) < -E        , \\        U_{a} : & \; \; \:        \forall V_{-\infty} \; \; \: \exists U_\infty : \; \; \: f\left( U_{\infty}\cap D  \right) \subset V_{-\infty}        , \\        \text{Heine}: & \; \; \:        \forall \left\{ x_n \right\} \subset D, \ x_n \to \infty \ \left( n \to \infty \right): \; \; \: \lim_{n \to \infty} f\left( x_n \right) = -\infty        , \\        \text{example}: & \; \; \:        \lim_{x \to \infty} -x^2 = -\infty         ;      \end{align*}

    Rendered by QuickLaTeX.com

  35. f\left( x \right) \to +\infty, \ x \to \infty:
  36.     \begin{align*}        \epsilon-\delta: & \; \; \:        \forall E > 0 \; \; \: \exists \Delta >0 \; \; \: \forall x \in D: \; \; \: \left| x \right| > \Delta  \implies f\left( x \right) > E        , \\        U_{a} : & \; \; \:        \forall V_{+\infty} \; \; \: \exists U_\infty : \; \; \: f\left( U_{\infty}\cap D  \right) \subset V_{+\infty}        , \\        \text{Heine}: & \; \; \:        \forall \left\{ x_n \right\} \subset D, \ x_n \to \infty \ \left( n \to \infty \right): \; \; \: \lim_{n \to \infty} f\left( x_n \right) = +\infty        , \\        \text{example}: & \; \; \:        \lim_{x \to \infty} \left| x \right| = +\infty         ;      \end{align*}

    Rendered by QuickLaTeX.com

  37. f\left( x \right) \to \infty, \ x \to -\infty:
  38.     \begin{align*}        \epsilon-\delta: & \; \; \:        \forall E > 0 \; \; \: \exists \Delta >0 \; \; \: \forall x \in D: \; \; \: x < -\Delta  \implies \left| f\left( x \right) \right| > E        , \\        U_{a} : & \; \; \:        \forall V_{\infty} \; \; \: \exists U_{-\infty} : \; \; \: f\left( U_{-\infty} \cap D  \right) \subset V_{\infty}        , \\        \text{Heine}: & \; \; \:        \forall \left\{ x_n \right\} \subset D, \ x_n \to -\infty \ \left( n \to \infty \right): \; \; \: \lim_{n \to \infty} f\left( x_n \right) = \infty        , \\        \text{example}: & \; \; \:        \lim_{x \to -\infty} \sqrt{- x }  \cdot Q\left( x \right)  = \infty, \; \; \: Q\left( x \right) =        \begin{cases}          -1, & x \in \mathbb{Q} \\          1, & x \in \mathbb{I} = \mathbb{R} \setminus \mathbb{Q}        \end{cases}        ;      \end{align*}

    Rendered by QuickLaTeX.com

  39. f\left( x \right) \to -\infty, \ x \to -\infty:
  40.     \begin{align*}        \epsilon-\delta: & \; \; \:        \forall E > 0 \; \; \: \exists \Delta >0 \; \; \: \forall x \in D: \; \; \: x < -\Delta  \implies f\left( x \right) < -E        , \\        U_{a} : & \; \; \:        \forall V_{-\infty} \; \; \: \exists U_{-\infty} : \; \; \: f\left( U_{-\infty}\cap D  \right) \subset V_{-\infty}        , \\        \text{Heine}: & \; \; \:        \forall \left\{ x_n \right\} \subset D, \ x_n \to -\infty \ \left( n \to \infty \right): \; \; \: \lim_{n \to \infty} f\left( x_n \right) = -\infty        , \\        \text{example}: & \; \; \:        \lim_{x \to -\infty} x = -\infty         ;      \end{align*}

    Rendered by QuickLaTeX.com

  41. f\left( x \right) \to +\infty, \ x \to - \infty:
  42.     \begin{align*}        \epsilon-\delta: & \; \; \:        \forall E > 0 \; \; \: \exists \Delta >0 \; \; \: \forall x \in D: \; \; \: x < -\Delta  \implies f\left( x \right) > E        , \\        U_{a} : & \; \; \:        \forall V_{+\infty} \; \; \: \exists U_{-\infty} : \; \; \: f\left( U_{-\infty}\cap D  \right) \subset V_{+\infty}        , \\        \text{Heine}: & \; \; \:        \forall \left\{ x_n \right\} \subset D, \ x_n \to -\infty \ \left( n \to \infty \right): \; \; \: \lim_{n \to \infty} f\left( x_n \right) = +\infty        , \\        \text{example}: & \; \; \:        \lim_{x \to -\infty} \sqrt{\left| x \right| }  = +\infty        ;      \end{align*}

    Rendered by QuickLaTeX.com

  43. f\left( x \right) \to \infty, \ x \to +\infty:
  44.     \begin{align*}        \epsilon-\delta: & \; \; \:        \forall E > 0 \; \; \: \exists \Delta >0 \; \; \: \forall x \in D: \; \; \: x > \Delta  \implies \left| f\left( x \right) \right| > E        , \\        U_{a} : & \; \; \:        \forall V_{\infty} \; \; \: \exists U_{+\infty} : \; \; \: f\left( U_{+\infty} \cap D  \right) \subset V_{\infty}        , \\        \text{Heine}: & \; \; \:        \forall \left\{ x_n \right\} \subset D, \ x_n \to +\infty \ \left( n \to \infty \right): \; \; \: \lim_{n \to \infty} f\left( x_n \right) = \infty        , \\        \text{example}: & \; \; \:        \lim_{x \to +\infty} \ln \left( x \right)   \cdot Q\left( x \right)  = \infty, \; \; \: Q\left( x \right) =        \begin{cases}          -1, & x \in \mathbb{Q} \\          1, & x \in \mathbb{I} = \mathbb{R} \setminus \mathbb{Q}        \end{cases}        ;      \end{align*}

  45. f\left( x \right) \to -\infty, \ x \to +\infty:
  46.     \begin{align*}        \epsilon-\delta: & \; \; \:        \forall E > 0 \; \; \: \exists \Delta >0 \; \; \: \forall x \in D: \; \; \: x > \Delta  \implies f\left( x \right) < -E        , \\        U_{a} : & \; \; \:        \forall V_{-\infty} \; \; \: \exists U_{+\infty} : \; \; \: f\left( U_{+\infty}\cap D  \right) \subset V_{-\infty}        , \\        \text{Heine}: & \; \; \:        \forall \left\{ x_n \right\} \subset D, \ x_n \to +\infty \ \left( n \to \infty \right): \; \; \: \lim_{n \to \infty} f\left( x_n \right) = -\infty        , \\        \text{example}: & \; \; \:        \lim_{x \to +\infty} -x + \sin x = -\infty        ;      \end{align*}

    Rendered by QuickLaTeX.com

  47. f\left( x \right) \to +\infty, \ x \to + \infty:
  48.     \begin{align*}        \epsilon-\delta: & \; \; \:        \forall E > 0 \; \; \: \exists \Delta >0 \; \; \: \forall x \in D: \; \; \: x > \Delta  \implies f\left( x \right) > E        , \\        U_{a} : & \; \; \:        \forall V_{+\infty} \; \; \: \exists U_{+\infty} : \; \; \: f\left( U_{+\infty}\cap D  \right) \subset V_{+\infty}        , \\        \text{Heine}: & \; \; \:        \forall \left\{ x_n \right\} \subset D, \ x_n \to +\infty \ \left( n \to \infty \right): \; \; \: \lim_{n \to \infty} f\left( x_n \right) = +\infty        , \\        \text{example}: & \; \; \:        \lim_{x \to +\infty} e^{x} = +\infty        ;      \end{align*}

Задача средняя (2)

Исходя из определения предела функции, доказать, что

    \[  \lim_{x \to 3} x^2 = 9  .\]

Рассмотрите модуль разности функции и её предельного значения. Пользуясь предположением 0 < \left| x - 3 \right| < \delta и свойствами модуля, оцените его сверху так, чтобы полученная оценка не зависела от x (а только от \delta). Далее найдите диапазон возможных значений \delta (этот диапазон зависит от \epsilon) из условия, что полученная ранее оценка модуля разности меньше \epsilon. Выбрав любое \delta из найденного интервала, доказательство будет закончено.

По определению Коши (на языке \epsilon-\delta) существование предела x^2 \to 9, \ x \to 3 означает следующее

    \[  \forall \epsilon >0 \; \; \: \exists \delta > 0 \; \; \: \forall x \in D: \; \; \: 0 < \left| x - 3 \right| < \delta \implies \left| x^2 - 9  \right| < \epsilon  .\]

Рассмотрим модуль разности функции и её предела

    \begin{align*}    \left| x^2 - 9 \right| =& \left| x - 3 \right| \cdot \left| x + 3 \right| = \\    =& \left| x -3  \right|  \cdot \left| x - 3 + 6 \right| < \\    <& \left| x - 3 \right| \cdot \left( \left| x - 3 \right| + 6 \right) < \\    <& \delta \cdot \left( \delta + 6 \right) < \epsilon  .\end{align*}

Решая неравенство \delta^2 + 6\delta - \epsilon < 0, получим, что для выполнения условия \left| x^2 - 9 \right| < \epsilon, достаточно взять

    \[    \frac{-6 - \sqrt{6^2 + 4 \epsilon} }{2}< \delta < \frac{-6 + \sqrt{6^2 + 4 \epsilon} }{2}  .\]

Найденный диапазон вместе с требованием \delta > 0 даёт нам искомое

    \[   \delta = \sqrt{9 + \epsilon} - 3  ,\]

хотя в качестве \delta вообще можно выбрать любое число из интервала \left(0,  \sqrt{9 + \epsilon} - 3\right).

Для наглядности построим график рассматриваемой функции.

Rendered by QuickLaTeX.com

Задача средняя (3)

Исходя из определения предела функции, доказать, что

    \[  \lim_{x \to -3} \frac{x + 3}{\sin x + 2} = 0  .\]

Рассмотрите модуль разности функции и её предельного значения. Пользуясь предположением 0 < \left| x + 3 \right| < \delta, оцените его сверху так, чтобы полученное выражение не зависело от x (а только от \delta). Из условия, что оценка модуля разности меньше \epsilon, для всякого произвольного \epsilon>0 определите соответствующее число \delta. На этом доказательство будет закончено.

По определению Коши (на языке \epsilon-\delta) существование предела \frac{x + 3}{\sin x + 2} \to 0, \ x \to -3 означает следующее

    \[  \forall \epsilon >0 \; \; \: \exists \delta > 0 \; \; \: \forall x \in D: \; \; \: 0 < \left| x + 3 \right| < \delta \implies \left| \frac{x + 3}{\sin x + 2} - 0 \right| < \epsilon  .\]

Рассмотрим модуль разности функции и её предела

    \[    \left| \frac{x + 3}{\sin x + 2} \right| < \left| x + 3 \right| < \delta < \epsilon   .\]

Отсюда следует, что в качестве \delta можно взять \delta\left( \epsilon \right)  = \epsilon.

Для наглядности построим график рассматриваемой функции.

Rendered by QuickLaTeX.com

Задача средняя (4)

Исходя из определения предела функции, доказать, что

    \[  \lim_{x \to \infty} \frac{3x + 1}{2x - 5} = \frac{3}{2}  .\]

Рассмотрите модуль разности функции и её предельного значения. Пользуясь предположением \left| x \right| > \Delta, оцените его сверху так, чтобы полученное выражение не зависело от x (а только от \Delta). Из условия, что оценка модуля разности меньше \epsilon, для всякого произвольного \epsilon>0 определите соответствующее число \Delta. На этом доказательство будет закончено.

По определению Коши (на языке \epsilon-\delta) существование предела \frac{3x +1}{2x - 5} \to \frac{3}{2}, \ x \to \infty означает следующее

    \[  \forall \epsilon > 0 \; \; \: \exists \Delta > 0 \; \; \: \forall x \in D: \; \; \: \left| x \right| > \Delta \implies \left| \frac{3x + 1}{2x - 5} - \frac{3}{2} \right| < \epsilon  .\]

Рассмотрим модуль разности функции и её предела

    \begin{align*}    \left|  \frac{3x + 1}{2x - 5} - \frac{3}{2} \right| =& \left| \frac{2 \cdot  \left( 3x + 1 \right) - \left( 2x - 5  \right)\cdot 3}{\left( 2x -5 \right) \cdot 2} \right| =  \\    =& \left| \frac{17}{\left( 2x - 5 \right) \cdot 2} \right| \overset{D=\left\{ x:\ \left| x \right| > 5 \right\} }{<} \frac{17}{2x} < \\    <& \frac{17}{2 \Delta} < \epsilon  .\end{align*}

Отсюда следует, что в качестве \Delta можно взять \Delta\left( \epsilon \right)  = \frac{17}{2\epsilon}.

Для наглядности построим график рассматриваемой функции.

Rendered by QuickLaTeX.com

Задача средняя (5)

Исходя из определения предела функции, доказать, что

    \[    \lim_{x \to -1} \sqrt[3]{28 + x} = 3  .\]

Рассмотрите модуль разности функции и её предельного значения. Пользуясь предположением \left| x + 1 \right| < \delta, оцените его сверху так, чтобы полученное выражение не зависело от x (а только от \delta). Из условия, что оценка модуля разности меньше \epsilon, для всякого произвольного \epsilon>0 определите соответствующее число \delta. На этом доказательство будет закончено.

По определению Коши (на языке \epsilon-\delta) существование предела \sqrt[3]{28 + x} \to 3, \ x \to -1 означает следующее

    \[    \forall \epsilon > 0 \; \; \: \exists \delta > 0 \; \; \: \forall x \in D: \; \; \: 0 <\left| x + 1 \right| < \delta \implies \left| \sqrt[3]{28+x} - 3 \right| < \epsilon  .\]

Рассмотрим модуль разности функции и её предела на множестве D = \left( -28, +\infty \right), а затем домножим и разделим её на такой множитель, чтобы в числителе получилась разность кубов

    \begin{align*}    \left|  \sqrt[3]{28+x} - 3 \right| =& \left| \frac{\left( \left( 28+x \right)^{\frac{1}{3}} - 3 \right) \cdot \left( \left( 28 + x \right)^{\frac{2}{3}} + \left( 28 + x \right)^{\frac{1}{2}} \cdot 3 + 9 \right)  }{\left( \left( 28 + x \right)^{\frac{2}{3}} + \left( 28 + x \right)^{\frac{1}{2}} \cdot 3 + 9 \right)} \right| =\\    =& \left| \frac{\left( 28 + x \right) - 27}{\left( \left( 28 + x \right)^{\frac{2}{3}} + \left( 28 + x \right)^{\frac{1}{2}} \cdot 3 + 9 \right)} \right| < \\     &< \frac{\left| x + 1 \right|}{9} < \frac{\delta}{9} < \epsilon  .\end{align*}

Отсюда следует, что в качестве \delta можно взять \delta\left( \epsilon \right)  = 9\epsilon.

Для наглядности построим график рассматриваемой функции.

Rendered by QuickLaTeX.com

Задача средняя (6)

Исходя из определения предела функции, доказать, что

    \[    \lim_{x \to 1} \frac{1}{\left( 1 - x \right)^2 } = +\infty  .\]

Пользуясь предположением \left| x - 1 \right| < \delta, оцените функцию \frac{1}{\left( 1 - x \right) ^2} снизу так, чтобы полученное выражение не зависело от x (а только от \delta). Из условия, что значение функции больше E, для всякого произвольного E>0 определите соответствующее число \delta. На этом доказательство будет закончено.

По определению Коши (на языке \epsilon-\delta) существование предела \frac{1}{\left( 1- x \right) ^2} \to +\infty, \ x \to 1 означает следующее

    \[    \forall E > 0 \; \; \: \exists \delta > 0 \; \; \: \forall x \in D: \; \; \: 0 <\left| x -1 \right| < \delta \implies \frac{1}{\left( x - 1 \right) ^2} > E  .\]

Рассмотрим функцию \frac{1}{\left( 1-x \right) ^2} на всей числовой оси без единицы D = \mathbb{R} \setminus \{1\}

    \[    \frac{1}{\left( 1-x \right) ^2} > \frac{1}{\delta^2} > E  .\]

Отсюда следует, что в качестве \delta можно взять \delta\left( E \right)  = \frac{1}{\sqrt{E} }.

Для наглядности построим график рассматриваемой функции.

Rendered by QuickLaTeX.com

Задача средняя (7)

Исходя из определения предела функции, доказать, что

    \[    \lim_{x \to \frac{\pi}{3}} \cos x = \frac{1}{2}  .\]

Рассмотрите модуль разности функции и её предельного значения. Используя тождество

    \[    \cos x - \cos\frac{\pi}{3} = -2 \sin\left( \frac{x + \frac{\pi}{3}}{2} \right) \sin\left( \frac{x - \frac{\pi}{3}}{2} \right)  ,\]

неравенства \left| \sin t \right| \le 1 и \left| \sin t \right| \le \left| t \right|, а также предположение \left| x - \frac{\pi}{3} \right| < \delta, оцените модуль разности сверху так, чтобы полученное выражение не зависело от x (а только от \delta). Из условия, что оценка модуля разности меньше \epsilon, для всякого произвольного \epsilon>0 определите соответствующее число \delta. На этом доказательство будет закончено.

По определению Коши (на языке \epsilon-\delta) существование предела \cos x \to \frac{1}{2}, \ x \to \frac{\pi}{3} означает, что

    \[    \forall \varepsilon > 0 \; \; \: \exists \delta > 0 \; \; \: \forall x \in \mathbb{R}: \; \; \: 0 < \left| x - \frac{\pi}{3} \right| < \delta \implies \left| \cos x - \frac{1}{2} \right| < \varepsilon  .\]

Далее нам потребуется тождество разности косинусов

    \[    \cos x - \cos\frac{\pi}{3} = -2 \sin\left( \frac{x + \frac{\pi}{3}}{2} \right) \sin\left( \frac{x - \frac{\pi}{3}}{2} \right)  .\]

Рассмотрим модуль разности функции и её предела, используя оценки \left| \sin x \right| \le 1 и \left| \sin t \right| \le \left| t \right| \; \; \: \forall x, t \in \mathbb{R},

    \begin{align*}    \left| \cos x - \frac{1}{2} \right| =& \left| \cos x - \cos \frac{\pi}{3} \right| =\\    =& 2 \cdot  \underbrace{\left| \sin\left( \frac{x + \frac{\pi}{3}}{2} \right) \right|}_{<1} \cdot \underbrace{\left| \sin\left( \frac{x - \frac{\pi}{3}}{2} \right) \right|}_{< \frac{\left| x - \frac{\pi}{3} \right| }{2}} < \\    <& \left| x - \frac{\pi}{3} \right| < \delta < \epsilon  .\end{align*}

Отсюда следует, что в качестве \delta можно взять \delta\left( \epsilon \right)  = \epsilon.

Для наглядности построим график функции \cos x в окрестности точки x = \frac{\pi}{3}.

Rendered by QuickLaTeX.com

Задача простая (8)

Выяснить существование предела

    \[  \lim_{x \to 5} \left[ \frac{x}{5} \right]   .\]

Проверьте существуют ли и совпадают ли односторонние пределы, соответствующие пределу, данному в задаче.

Вычислим односторонние пределы

    \[  \lim_{x \to 5 - 0} \left[ \frac{x}{5} \right] = 0, \; \; \:   \lim_{x \to 5 + 0} \left[ \frac{x}{5} \right] = 1  .\]

Поскольку они не совпадают, предел не может существовать

    \[  \lim_{x \to 5 - 0} \left[ \frac{x}{5} \right] \neq   \lim_{x \to 5 + 0} \left[ \frac{x}{5} \right] \implies  \nexists \lim_{x \to 5} \left[ \frac{x}{5} \right]   .\]

Rendered by QuickLaTeX.com

Задача простая (9)

Выяснить существование предела

    \[  \lim_{x \to -\infty} \cos 10x  .\]

Рассмотрите две расходящиеся последовательности a_n и b_n, неограниченно убывающие к -\infty, такие, что

    \[  \lim_{n \to \infty} \cos\left( 10a_n \right) \neq \lim_{n \to \infty} \cos\left( 10b_n \right)   .\]

На основании этого, пользуясь определением предела функции по Гейне, сделайте вывод о существовании предела.

Рассмотрим две последовательности x_n и y_n, неограниченно убывающие к -\infty,

    \begin{align*}    x_n = -\pi \cdot n:& \; \; \: -\pi, \ -2\pi, \ -3\pi, \ \ldots \ , \\    y_n = -\pi\cdot n + \frac{\pi}{20}:& \; \; \: -\pi+\frac{\pi}{20}, \ -2\pi +\frac{1}{20}\pi, \ -3\pi + \frac{1}{20}\pi, \ \ldots \   .\end{align*}

Для этих последовательностей справедливо

    \begin{align*}    &\lim_{n \to \infty} \cos \left( 10 x_n \right) = \lim_{n \to \infty} \cos \left( - 10\pi n \right) = 1, \\    &\lim_{n \to \infty} \cos \left( 10 y_n \right) = \lim_{n \to \infty} \cos \left( - 10\pi n + \frac{\pi}{2} \right) = 0  .\end{align*}

Из определния предела функции по Гейне отсюда следует несуществование рассматриваемого предела

    \[  \nexists \lim_{x \to -\infty} \cos\left( 10 x \right)   .\]

Rendered by QuickLaTeX.com

Задача средняя (10)

Выяснить сходимость предела

    \[  \lim_{x \to b} \sin \frac{a}{x-b}, \ a \neq 0  .\]

Рассмотрите две последовательности x_n и y_n, сходящиеся к b, такие, что

    \[  \lim_{n \to \infty} \sin \frac{a}{x_n - b} \neq \lim_{n \to \infty} \sin \frac{a}{y_n - b}  .\]

На основании этого, пользуясь определением предела функции по Гейне, сделайте вывод о существовании предела.

Покажем, что выбрав соответствующие последовательности x_n \to b, \ n\to \infty и y_n \to b, \ n\to \infty, можно добиться одновременно

    \begin{align*}    &\lim_{n\to \infty} \sin \frac{a}{x_n - b} = 0, \\    &\lim_{n \to \infty} \sin \frac{a}{y_n - b} = 1  .\end{align*}

Для этого достаточно выполнения условий

    \[    \frac{a}{x_n - b} = 2\pi n \implies    x_n = \frac{a}{2\pi n} + b    ,\]

    \[    \frac{a}{y_n - b} = 2\pi n + \frac{\pi}{2} \implies    y_n = \frac{a}{2\pi n + \frac{\pi}{2}} + b    .\]

Нетрудно убедиться, что полученные последовательности действительно сходятся к b

    \[       \lim_{n \to \infty} x_n = \lim_{n \to \infty} \underbrace{\frac{a}{2\pi n}}_{\to 0} + b = b    ,\]

    \[       \lim_{n \to \infty} y_n = \lim_{n \to \infty} \underbrace{\frac{a}{2\pi n + \frac{\pi}{2}}}_{\to 0} + b = b    .\]

Итак, в связи с определением предела по Гейне рассматриваемый предел не существует

    \[  \nexists \lim_{x \to b} \sin \frac{a}{x-b}, \ a \neq 0  .\]

Rendered by QuickLaTeX.com

Задача средняя (11)

Выясните существование предела

    \[  \lim_{x \to 0} x \sin \frac{1}{x}   .\]

Пользуясь определением предела по Коши, покажите, что данный предел равен нулю. При доказательстве воспользуйтесь очевидным неравенством

    \[  \left| \sin \frac{1}{x} \right| \le 1  .\]

Покажем, что рассматриваемый предел сходится к нулю.

По определению Коши (на языке \epsilon-\delta) существование предела x \sin \frac{1}{x} \to 0, \ x \to 0 означает следующее

    \[  \forall \epsilon >0 \; \; \: \exists \delta > 0 \; \; \: \forall x \in D: \; \; \: 0 < \left| x \right| < \delta \implies \left| x \sin \frac{1}{x} - 0 \right| < \epsilon  .\]

Рассмотрим модуль разности функции и её предела

    \[    \left| x \sin \frac{1}{x} - 0 \right| < \left| x \right| \cdot \underbrace{\left| \sin \frac{1}{x} \right|}_{\le 1} < \left| x \right|  < \delta < \epsilon   .\]

Отсюда следует, что в качестве \delta достаточно взять \delta\left( \epsilon \right)  = \epsilon. Итак, рассматриваемый предел существует и равен нулю.

NB! Из определения следует, что существование предела не зависит от значения функции в предельной точке. Более того, функция (как в данном примере) может вообще не существовать в предельной точке, но при этом сам предел будет иметь вполне конкретное значение.

Rendered by QuickLaTeX.com

Прокрутить вверх