Предел и непрерывность функций нескольких переменных

Информация - Математика и статистика

Другие материалы по предмету Математика и статистика

>t)

 

f (х0 + t?х, y0 + t?у),

 

если он существует, естественно называть пределом f в точке (х0, у0) по направлению ?.

Пример 1. Функции

 

определены на плоскости (x, y) за исключением точки х0 = 0, у0 = 0. Имеем (учесть, что и ):

 

 

Отсюда

 

 

(для ? > 0 полагаем ? = ?/2 и тогда | f (x, y)| < ?, если < ?).

Далее, считая, что k постоянная, имеем для y = kx равенство

 

 

из которого видно, что предел ? в точке (0, 0) по разным направлениям вообще различен (единичный вектор луча y = kx, х > 0, имеет вид

 

).

 

Пример 2. Рассмотрим в R2 функцию

 

(х4 + у2 ? 0).

 

Данная функция в точке (0, 0) на любой прямой y = kx, проходящей через начало координат, имеет предел, равный нулю:

при х > 0.

 

Однако эта функция не имеет предела в точки (0, 0), ибо при у = х2

 

и

 

Будем писать , если функция f определена в некоторой окрестности точки (х0, у0), за исключением, быть может, самой точки (х0, у0) и для всякого N > 0 найдется ? > 0 такое, что

 

| f (x, y)| > N,

 

коль скоро 0 < < ?.

Можно также говорить о пределе f, когда х, у > ?:

 

(5)

 

Например, в случае конечного числа А равенство (5) надо понимать в том смысле, что для всякого ? > 0 найдется такое N > 0, что для всех х, у, для которых |x| > N, |y| > N, функция f определена и имеет место неравенство

 

| f (x, y) А| < ?.

 

Справедливы равенства

(6)

(7)

(8)

 

где может быть х > ?, у > ?. При этом, как обычно, пределы (конечные) в их левых частях существуют, если существуют пределы f и ?.

Докажем для примера (7).

Пусть (xk, yk) > (х0, у0) ((xk, yk) ? (х0, у0)); тогда

 

(9)

 

Таким образом, предел в левой части (9) существует и равен правой части (9), а так как последовательность (xk, yk) стремится к (х0, у0) по любому закону, то этот предел равен пределу функции f (x, y) ? (x, y) в точке (х0, у0).

Теорема. если функция f (x, y) имеет предел, не равный нулю в точке (х0, у0), т.е.

 

 

то существует ? > 0 такое, что для всех х, у, удовлетворяющих неравенствам

 

0 < < ?, (10)

она удовлетворяет неравенству

 

(12)

 

Поэтому для таких (x, y)

 

 

т.е. имеет место неравенство (11). Из неравенства (12) для указанных (x, y) следует откуда при A > 0 и при

A < 0 (сохранение знака).

По определению функция f(x) = f (x1, …, xn) = A имеет предел в точке

x0 = , равный числу А, обозначаемый так:

 

 

(пишут еще f(x) > A (x > x0)), если она определена на некоторой окрестности точки x0, за исключением, быть может, ее самой, и если существует предел

 

 

какова бы ни была стремящаяся к x0 последовательность точек хk из указанной окрестности (k = 1, 2, ...), отличных от x0.

Другое эквивалентное определение заключается в следующем: функция f имеет в точке x0 предел, равный А, если она определена в некоторой окрестности точки x0, за исключением, быть может, ее самой, и для любого ? > 0 найдется такое ? > 0, что

 

(13)

 

для всех х, удовлетворяющих неравенствам

0 < |x x0| < ?.

Это определение в свою очередь эквивалентно следующему: для любого ? > 0 найдется окрестность U (x0) точки x0 такая, что для всех хU(x0), х ? x0, выполняется неравенство (13).

Очевидно, что если число А есть предел f(x) в x0, то А есть предел функции f(x0 + h) от h в нулевой точке:

 

 

и наоборот.

Рассмотрим некоторую функцию f, заданную во всех точках окрестности точки x0, кроме, быть может, точки x0; пусть ? = (?1, ..., ?п) произвольный вектор длины единица (|?| = 1) и t > 0 скаляр. Точки вида x0 + t? (0 < t) образуют выходящий из x0 луч в направлении вектора ?. Для каждого ? можно рассматривать функцию

 

(0 < t < ??)

 

от скалярной переменной t, где ?? есть число, зависящее от ?. Предел этой функции (от одной переменной t)

 

если он существует, естественно называть пределом f в точке x0 по направлению вектора ?.

Будем писать , если функция f определена в некоторой окрестности x0, за исключением, быть может, x0, и для всякого N > 0 найдется ? > 0 такое, что |f(x)| > N, коль скоро 0 < |x x0| < ?.

Можно говорить о пределе f, когда х > ?:

 

(14)

 

Например, в случае конечного числа А равенство (14) надо понимать в том смысле, что для всякого ? > 0 можно указать такое N > 0, что для точек х, для которых |x| > N, функция f определена и имеет место неравенство .

Итак, предел функции f(x) = f(x1, ..., хп) от п переменных определяется по аналогии так же, как для функции от двух переменных.

Таким образом, перейдем к определению предела функции нескольких переменных.

Число А называется пределом функции f(M) при М > М0, если для любого числа ? > 0 всегда найдется такое число ? > 0, что для любых точек М, отличных от М0 и удовлетворяющих условию | ММ0 | < ?, будет иметь место неравенств?/p>