Вакульчик В.С. Учебно-методический комплекс по высшей математике для студентов технических специальностей
Подождите немного. Документ загружается.
131
Определение 2.20.4. Пусть
задана
функция
(
)
y f x
=
,
определенная
в
точке
0
x
и
в
некоторой
её
окрестности
,
тогда
(
)
(
)
0 0
y f x x f x
∆ = +∆ −
называют
прира-
щением функции
в
точке
0
x
,
соответст
-
вующим
приращению
аргумента
x
∆
.
Определение 2.20.5.
Функция
(
)
y f x
=
называется
непрерывной
в
точке
0
x
,
если
:
1)
(
)
f x
определена
в
точке
0
x
;
2)
0
lim 0
x
y
∆ →
∆ =
.
Обозначается
:
(
)
{ }
0
x
f x C∈
.
Определение 2.20.6. Функция
(
)
y f x
=
непрерывна
в
точке
0
x
,
если
1)
(
)
f x
определена
в
точке
0
x
;
2)
(
)
(
)
0
0
lim
x x
f x f x
→
=
.
Определение 2.20.7.
Функция
(
)
y f x
=
непрерывна
в
точке
0
x
,
ес
-
ли
(
)
(
)
(
)
0 0
0
lim lim
x x x x
f x f x f x
→ − → +
= =
.
Определение 2.20.8.
Если
в
точке
0
x
нарушено
хотя
бы
одно
из
ус
-
ловий
непрерывности
,
то
она
называется
точкой разрыва
.
Замечания:
1.
Можно
доказать
,
что
все
три
определения
непрерывности
в
точке
эквивалентны
.
2.
Для
исследования
функции
на
непрерывность
наиболее
удобным
является
определение
2.20.7.
3.
Для
непрерывной
в
точке
0
x
функции
символы
функции
и
преде
-
ла
перестановочны
,
т
.
е
.
если
(
)
{ }
0
x
f x C∈
,
то
( )
0 0
lim lim
x x x x
f x f x
→ →
=
.
4.
Можно
доказать
,
что
основные
элементарные
функции
непрерывны
в
области
своего
определения
.
Определение 2.20.9. Если
точка
0
x
–
точка
разрыва
и
оба
односто
-
ронних
предела
конечны
,
то
0
x
–
точка
разрыва
первого рода
.
Причем
,
если
односторонние
пределы
равны
,
0
x
–
называют
точкой
устранимого разрыва
.
x
0
+
∆
x
y
x
x
0
0
∆
x
∆
y
(
)
0
f x x
+∆
(
)
0
f x
132
Определение 2.20.10. Если
точка
0
x
–
точка
разрыва
функции
(
)
f x
и
хотя
бы
один
из
односторонних
пределов
бесконечен
либо
не
существу
-
ет
,
то
0
x
–
точка
разрыва
второго рода
.
Примеры
.
Исследовать
на
непрерывность
функции
:
1
0
.
1
5
2
x
y
−
= .
(
)
(
)
(
)
,5 5,D y
= −∞ ∪ +∞
, х = 5 – точка разрыва.
( )
1 1
5 0
5
5
lim 2 2 2 0
x
x
x
−∞
− −
→ −
<
= = =
,
( )
1
5
5
5
lim 2 2
x
x
x
+∞
−
→ +
>
= = +∞
.
Значит,
5
x
=
является точкой разрыва второго рода.
2
0
.
2
, 0,
3, 0.
x x
y
x x
− <
=
+ ≥
Внутри промежутка зада-
ния функция представлена не-
прерывными функциями, значит,
точка возможного разрыва
0
0
x
=
. Воспользуемся определе-
нием 2.20.7. Будем иметь
(
)
0 3
f
=
(
)
(
)
2
0 0
0
lim lim 0,
x x
x
f x x
→ − → −
<
= − =
I
рода
устранимый
разрыв
y
x
I
рода
точка
конечного
скачка
0
y
x
0
5
y
x
0
0
y
x
3
1
–1
–2
4
133
(
)
0
0
lim 3 3.
x
x
x
→ +
>
+ =
Таким образом, односторонние пределы конечны, но условия опре-
деления 2.20.7 не выполняются, следовательно,
0
0
x
=
– точка разрыва
первого рода.
Упражнение. Исследовать на непрерывность и изобразить схема-
тично графики функций:
1.
2
1
, 1,
, 1 3,
2, 3
x
x
y x x
x x
≤
= < ≤
+ >
2.
, 0
1
sin , 0
x x
y
x
x
≤
=
>
3.
2
1
1
x
y
x
−
=
−
2.21. Основные свойства непрерывных функций
Теорема 2.21.1. Если функции
(
)
f x
и
(
)
x
ϕ
непрерывны в точке
0
x
, то
1)
(
)
(
)
f x x
±ϕ
непрерывна в точке
0
x
,
2)
(
)
cf x
непрерывна в точке
0
x
,
3)
(
)
(
)
f x x
⋅ϕ
непрерывна в точке
0
x
,
4)
(
)
( )
f x
x
ϕ
непрерывна в точке
0
x
, если
(
)
0
0
x
ϕ ≠
.
Следствие 2.21.1. Целая рациональная функция
(
)
1
1 1 0
...
n n
n n n
P x a x a x a x a
−
−
= + + + +
непрерывна для любого
x
∈
ℝ
.
Следствие 2.21.2 Дробно-рациональная функция
(
)
( )
1
1 1 0
1
1 1 0
...
...
n n
n
n n
m m
m
m m
P x
a x a x a x a
Q x
b x a x b x b
−
−
−
−
+ + + +
=
+ + + +
непрерывна для всех x, для которых знаменатель не равен 0.
134
Теорема 2.21.2. (о непрерывности сложной функции) Если функция
(
)
u x
=ϕ
непрерывна в точке
0
x
, а функция
(
)
y f u
=
непрерывна в точке
(
)
0
x
ϕ
, то функция
(
)
y f u
=
непрерывна в точке
0
x
.
Замечание 2.21.1. Основные элементарные функции непрерывны в
области своего определения.
2.22. Свойства функций непрерывных на отрезке
Определение 2.22.1. Функция называется непрерывной на интерва-
ле
(
)
,
a b
, если она непрерывна во всех точках этого интервала.
Определение 2.22.2. Функция называется непрерывной на отрезке
[
]
,
a b
, если она непрерывна на интервале
(
)
,
a b
и непрерывна справа в
точке
a
и непрерывна слева в точке
b
.
(
)
(
)
lim
x b
f x f b
→ −
=
и
(
)
(
)
lim
x a
f x f a
→ +
=
.
Теорема 2.22.1. Если
(
)
f x
непрерывна на отрезке
[
]
,
a b
, то она ог-
раничена на этом отрезке.
Теорема 2.22. 2. Если
(
)
f x
непрерывна на отрезке
[
]
,
a b
, то она
достигает на этом отрезке своего наименьшего и наибольшего значений.
Теорема 2.22.3. Если две функции непрерывны на отрезке
[
]
,
a b
, то
их сумма, произведение, произведение каждой из них на число, а так же
частное в точках, где знаменатель не равен нулю, также непрерывны на
данном отрезке.
Теорема 2.22.4. (теорема Коши о нулях функции). Пусть функция
(
)
y f x
=
непрерывна на отрезке
[
]
,
a b
, а также принимает значения разных
знаков на его концах
(
)
(
)
(
)
0
f a f b
⋅ <
, тогда существует хотя бы одна точ-
ка с на отрезке
[
]
a,b
, такая что
(
)
0
f c
=
.
135
ВЫВОДЫ
В данном модуле кратко изложены понятия множества и числовых
множеств; на их основе введены понятия функции, предела числовой по-
следовательности, предела функции, бесконечно малой и бесконечно
большой функций. На языке пределов определено фундаментальное поня-
тие анализа - непрерывность функции. Изложены правила вычисления
пределов, раскрытия неопределенных выражений.
Функция – это закон или соответствие, по которому каждому эле-
менту одного множества отвечает один элемент другого множества. Функ-
ция может быть задана при помощи формулы, таблицы, графика, компью-
терной программы. С помощью функций записывается соответствие меж-
ду величинами, определяющими ход некоторого процесса или явления.
Правильно составленная функция, изучение и анализ ее графика дают воз-
можность более глубоко познать соответствующий процесс, и, следова-
тельно, грамотно им управлять, используя при этом соответствующий ма-
тематический аппарат.
Понятие предела переменной величины является в анализе основ-
ным, оно ассоциируется в нашем сознании с числом, к которому прибли-
жается значение переменной величины, оставаясь или меньше этого числа,
или больше, или изменяясь, принимая то большие, то меньшие значения.
Предельный переход открывает новые возможности изучения процессов с
помощью математики, в частности, возможность изучения отношения двух
бесконечно малых или бесконечно больших величин.
В окружающем нас мире процессы и явления, в которых участвуют
многочисленные факторы, обычно непрерывны. Непрерывность процесса
или явления означает, что бесконечно малые изменения одних величин вы-
зывают бесконечно малые изменения других. Таковы процессы изменения
количества углекислого газа в вентилируемом помещении, теплообмена в
некотором тепловом агрегате, накопления подаваемой с помощью насоса
жидкости в резервуаре, роста бактерий, изменения количества вещества
при радиоактивном распаде и т.п.
136
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
К ПРОВЕДЕНИЮ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ
Учебно-информационный блок
для проведения практических занятий
Тема занятия Тип занятия
Кол-во
часов
I. Основные элементарные функ-
ции и их графики. График функции в
полярных координатах
Повторение и обобщение старых
знаний. Усвоение и закрепление изу-
ченного самостоятельно нового мате-
риала
2
II. Функции, заданные параметри-
чески, их графики
Углубление и расширение получен-
ных знаний. Усвоение нового мате-
риала. Предварительный контроль
2
III. Предел последовательности и
его вычисление
Усвоение и закрепление нового ма-
териала. Текущий контроль
2
IV. Предел функции. Предел сум-
мы, произведения и частного функ-
ций. Правила раскрытия неопреде-
ленностей, содержащих отношение
многочленов, иррациональности
Углубление и расширение получен-
ных знаний. Обобщение и применение
полученных знаний к раскрытию не-
определенных выражений. Текущий
контроль
2
V. Первый замечательный предел,
следствия из него
Усвоение и закрепление нового ма-
териала. Применение полученных
знаний к раскрытию неопределенных
выражений. Текущий контроль
2
VI. Второй замечательный предел,
следствия из него
Усвоение и закрепление нового ма-
териала. Применение полученных
знаний к раскрытию неопределенных
выражений. Текущий контроль
2
VII. Сравнение функций (0-симво-
лика). Порядок бесконечно больших
и бесконечно малых функций. Экви-
валентность функций, их использо-
вание при вычислении пределов
Обобщение, систематизация и при-
менение полученных знаний к рас-
крытию неопределенных выражений
2
VIII. Непрерывность функции.
Классификация разрывов функций.
(Итоговое занятие)
Усвоение и закрепление нового ма-
териала. Текущий контроль
2
XI. Контрольная работа Итоговый контроль 2
Используемая литература
1. Бугров, Я.С. Дифференциальное и интегральное исчисление / Я.С.
Бугров, С.М. Никольский. – М. : Наука, 1980.
2. Гусак, А.А. Справочник по высшей математике / А.А. Гусак, Г.М.
Гусак. – Мн. : Навука і тэхніка, 1991.
137
3. Методические указания с трехуровневыми заданиями для органи-
зации самостоятельной работы студентов всех специальностей по теме
«Прямоугольная и полярная системы координат. Функции, заданные пара-
метрически» / В.С. Вакульчик, В.А. Жак, О.В. Скоромник. – Новополоцк:
ПГУ, 2004.
4. Мышкис А.Д. Лекции по высшей математике / А.Д. Мышкис. –
М.: Наука, 1973.
5. Сборник задач по математике для втузов. Линейная алгебра и ос-
новы математического анализа / под ред. А.В. Ефимова, Б.П. Демидовича. –
М.: Наука, 1986.
I. Основные элементарные функции и их графики. График
функции в полярных координатах
1. Основная методическая схема работы по пособию. Беглое повто-
рение основных элементарных функций с использованием выданного на
предыдущем занятии информационного материала в виде графиков функ-
ций. Преподаватель у доски определяет полярную систему координат; об-
ращает внимание на связь декартовой и полярной систем координат; стро-
ит графики кривых, заданных в полярной системе координат:
1)
cos3
r
= ϕ
;
2)
(
)
1 cos
r a
= − ϕ
;
3)
2
sin
r =
ϕ
.
2. Провести обобщение полученных графиков относительно клас-
сов аналогичных кривых. Обратить внимание на возможность аналитиче-
ского построения кривых.
3. Студенты работают с пособием [3] или УМК. Работа осуществля-
ется в соответствии с методической схемой II. Обратить внимание на обу-
чающие задачи.
Обучающая задача 1. Построить точки в полярной системе коорди-
нат М
1
(3;
4
π
), М
2
(1;
3
4
π
), М
3
(–2;
5
4
π
) и найти их декартовы координаты.
Решение. Проведем через полюс O ось OP
1
под углом
4
π
к полярной
оси ОР (положительное направление указано стрелкой) и отложим от полю-
са в положительном направлении оси ОР
1
отрезок ОМ
1
, равный трем еди-
ницам масштаба. Конец этого отрезка и будет искомой точкой М
1
(рис. 1).
138
По такому же принципу проведем через полюс О ось ОР
1
под углом
3
4
π
к полярной оси ОР (положительное направление указано стрелкой) и
отложим от полюса в положительном направлении оси ОР
1
отрезок ОМ
2
,
равный одной единице масштаба. Конец этого отрезка и будет искомой
точкой М
2
(рис. 2).
Аналогично, проведем через полюс О ось ОР
1
под углом
5
4
π
к по-
лярной оси (положительное направление на ней указано стрелкой) и от-
ложим от полюса в отрицательном направлении оси ОР
1
отрезок ОМ
3
, рав-
ный двум единицам масштаба. Конец этого отрезка и будет искомой точ-
кой М
3
(рис. 3).
Вторую часть задачи выполним, используя формулы перехода:
cos
x
=ρ ϕ
,
sin
y
=ρ ϕ
.
Для точки М
1
:
2 3 2
3cos 3 ;
4 2 2
x
π
= = =
2 3 2
3sin 3 ,
4 2 2
y
π
= = = М
1
3 2 3 2
; .
2 2
Для точки М
2
:
3 2 2
1cos 1 ;
4 2 2
x
π
= = − =−
3 2 2
1sin 1 ,
4 2 2
y
π
= = = М
2
2 2
, .
2 2
−
P
1
P
1
P
1
P P P
O O
O
4
π
2
4
π
5
4
π
M
1
M
2
M
3
Рис
. 1
Рис
. 2
Рис
. 3
139
Для точки М
3
:
5 2
2cos 2 2;
4 2
x
π
= − = − − =
5 2
2sin 2 2,
4 2
y
π
= − = − − =
М
3
(
)
2; 2 .
Ответ: М
1
3 2 3 2
; ;
2 2
М
2
2 2
, ;
2 2
−
М
3
( 2; 2)
.
Обучающая задача 2. Дано полярное уравнение линии ρ
2
= 9sin2ϕ.
Построить эту линию по точкам, придавая углу ϕ значения через проме-
жутки
12
π
.
Решение. Так как левая часть данного уравнения неотрицательна,
то угол ϕ может изменяться только в тех пределах, для которых
sin2 0
ϕ≥
,
т.е. 0
2
π
≤ϕ≤
и
3
2
π
π≤ ϕ≤ . Для вычисления значения ρ составляем таблицу
ϕ
0
π
12
π
6
π
4
π
3
5π
12
π
2
π
13π
12
7π
6
5π
4
4π
3
17π
12
3π
2
2ϕ
0
π
6
π
3
π
2
2π
3
5π
6
π
2π
13π
6
7π
3
5π
2
8π
3
17π
6
π
ρ
0 2,12
2,79
3 2,79
2,12
0 0 2,12 2,79
3 2,79
2,12
0
По значениям ρ и ϕ из таб-
лицы построим точки, соответст-
вующие каждой паре чисел (ρ; ϕ),
и соединим их плавной кривой.
Обучающая задача 3. Построить фигуру, ограниченную кривыми
3cos
ρ= ϕ
и
2
cos
ρ=
ϕ
, не содержащую начало координат.
P
O
1
140
Решение.
1. Рассмотрим кривую
3cos
ρ= ϕ
. Анализ уравнения позволяет за-
метить, что умножение заданного уравнения на ρ позволяет получить
уравнение
2
3 cos
ρ = ρ ϕ
, которое в прямоугольной системе координат при-
нимает вид
2 2
3
x y x
+ =
или
2
2 2
3 9
3 0
2 4
x x y
− + − + =
,
или
2
2
3 9
2 4
x y
− + =
.
Полученное уравнение задает окружность с центром С
3
;0
2
и ра-
диусом
3
2
R
=
.
2. Рассмотрим кривую
2
cos
ρ=
ϕ
. Анализ уравнения позволяет заме-
тить, что его удобнее переписать в виде
cos 2
ρ ϕ=
. В прямоугольной сис-
теме координат будем иметь x = 2.
3. Построим заданные кривые и выберем ту фигуру, которая не со-
держит начало координат.
4.
Вся аудитория выполняет задание первого уровня сложности.
y
x
2
3
1
2
3
O