Xreferat.com » Рефераты по математике » Предел и непрерывность функций нескольких переменных

Предел и непрерывность функций нескольких переменных

Кафедра: Высшая математика


Реферат

по дисциплине «Высшая математика»

Тема: «Предел и непрерывность функций нескольких переменных»


Тольятти, 2008

Введение


Понятие функции одной переменной не охватывает все зависимости, существующие в природе. Даже в самых простых задачах встречаются величины, значения которых определяются совокупностью значений нескольких величин.

Для изучения подобных зависимостей вводится понятие функции нескольких переменных.

Понятие функции нескольких переменных


Определение. Величина u называется функцией нескольких независимых переменных (x, y, z, …,t), если каждой совокупности значений этих переменных ставится в соответствие определенное значение величины u.

Если переменная является функцией от двух переменных х и у, то функциональную зависимость обозначают


z = f (x, y).


Символ f определяет здесь совокупность действий или правило для вычисления значения z по данной паре значений х и у.

Так, для функции z = x2 + 3xy

при х = 1 и у = 1 имеем z = 4,

при х = 2 и у = 3 имеем z = 22,

при х = 4 и у = 0 имеем z = 16 и т.д.

Аналогично называется величина u функцией от трех переменных x, y, z, если дано правило, как по данной тройке значений x, y и z вычислить соответствующее значение u:


u = F (x, y, z).


Здесь символ F определяет совокупность действий или правило для вычисления значения u, соответствующего данным значениям x, y и z.

Так, для функции u = xy + 2xz – 3yz

при х = 1, у = 1 и z = 1 имеем u = 0,

при х = 1, у = -2 и z = 3 имеем u = 22,

при х = 2, у = -1 и z = -2 имеем u = -16 и т.д.

Таким образом, если в силу некоторого закона каждой совокупности п чисел (x, y, z, …,t) из некоторого множества Е ставится в соответствие определенное значение переменной u, то и u называется функцией от п переменных x, y, z, …,t, определенной на множестве Е, и обозначается


u = f (x, y, z, …,t).


Переменные x, y, z, …,t называются аргументами функции, множество Е – областью определения функции.

Частным значением функции называется значение функции в некоторой точке М0 (x0, y0, z0, …,t0) и обозначается f (М0) = f (x0, y0, z0, …,t0).

Областью определения функции называется множество всех значений аргументов, которым соответствуют какие-либо действительные значения функции.

Функция двух переменных z = f (x, y) в пространстве представляется некоторой поверхностью. То есть, когда точка с координатами х, у пробегает всю область определения функции, расположенную в плоскости хОу, соответствующая пространственная точка, вообще говоря, описывает поверхность.

Функцию трех переменных u = F (x, y, z) рассматривают как функцию точки некоторого множества точек трехмерного пространства. Аналогично, функцию п переменных u = f (x, y, z, …,t) рассматривают как функцию точки некоторого п-мерного пространства.


Предел функции нескольких переменных


Для того чтобы дать понятие предела функции нескольких переменных, ограничимся случаем двух переменных х и у. По определению функция f (x, y) имеет предел в точке (х0, у0), равный числу А, обозначаемый так:

Предел и непрерывность функций нескольких переменных (1)


(пишут еще f (x, y)→А при (x, y)→ (х0, у0)), если она определена в некоторой окрестности точки (х0, у0), за исключением, быть может, самой этой точки и если существует предел


Предел и непрерывность функций нескольких переменных (2)


какова бы ни была стремящаяся к (х0, у0) последовательность точек (xk, yk).

Так же, как в случае функции одной переменной, можно ввести другое эквивалентное определение предела функции двух переменных: функция f имеет в точке (х0, у0) предел, равный А, если она определена в некоторой окрестности точки (х0, у0) за исключением, быть может, самой этой точки, и для любого ε > 0 найдется такое δ > 0, что


| f (x, y) – A | < ε (3)


для всех (x, y), удовлетворяющих неравенствам


0 < Предел и непрерывность функций нескольких переменных < δ. (4)


Это определение, в свою очередь, эквивалентно следующему: для любого ε > 0 найдется δ-окрестность точки (х0, у0) такая, что для всех (x, y) из этой окрестности, отличных от (х0, у0), выполняется неравенство (3).

Так как координаты произвольной точки (x, y) окрестности точки (х0, у0) можно записать в виде х = х0 + Δх, у = у0 + Δу, то равенство (1) эквивалентно следующему равенству:


Предел и непрерывность функций нескольких переменных


Рассмотрим некоторую функции, заданную в окрестности точки (х0, у0), кроме, быть может, самой этой точки.

Пусть ω = (ωх, ωу) – произвольный вектор длины единица (|ω|2 = ωх2 + ωу2 = 1) и t > 0 – скаляр. Точки вида


(х0 + tωх, y0 + tωу) (0 < t)


образуют луч, выходящий из (х0, у0) в направлении вектора ω. Для каждого ω можно рассматривать функцию


f (х0 + tωх, y0 + tωу) (0 < t < δ)


от скалярной переменной t, где δ – достаточно малое число.

Предел этой функции (одной переменной t)


Предел и непрерывность функций нескольких переменных f (х0 + tωх, y0 + tωу),


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

Пример 1. Функции


Предел и непрерывность функций нескольких переменных

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


Предел и непрерывность функций нескольких переменных


Отсюда


Предел и непрерывность функций нескольких переменных


(для ε > 0 полагаем δ = ε/2 и тогда | f (x, y)| < ε, если Предел и непрерывность функций нескольких переменных < δ).

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


Предел и непрерывность функций нескольких переменных


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


Предел и непрерывность функций нескольких переменных).


Пример 2. Рассмотрим в R2 функцию


Предел и непрерывность функций нескольких переменных (х4 + у2 ≠ 0).


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

Предел и непрерывность функций нескольких переменных при х → 0.


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


Предел и непрерывность функций нескольких переменных и Предел и непрерывность функций нескольких переменных


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


| f (x, y)| > N,


коль скоро 0 < Предел и непрерывность функций нескольких переменных < δ.

Можно также говорить о пределе f, когда х, у → ∞:


Предел и непрерывность функций нескольких переменных (5)


Например, в случае конечного числа А равенство (5) надо понимать в том смысле, что для всякого ε > 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| < ε.


Справедливы равенства

Предел и непрерывность функций нескольких переменных (6)

Предел и непрерывность функций нескольких переменных (7)

Предел и непрерывность функций нескольких переменных Предел и непрерывность функций нескольких переменных (8)


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

Докажем для примера (7).

Пусть (xk, yk) → (х0, у0) ((xk, yk) ≠ (х0, у0)); тогда


Предел и непрерывность функций нескольких переменных(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)∙ φ (x, y) в точке (х0, у0).

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


Предел и непрерывность функций нескольких переменных


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


0 < Предел и непрерывность функций нескольких переменных < δ, (10)

она удовлетворяет неравенству


Предел и непрерывность функций нескольких переменных (12)


Поэтому для таких (x, y)


Предел и непрерывность функций нескольких переменных


т.е. имеет место неравенство (11). Из неравенства (12) для указанных (x, y) следует Предел и непрерывность функций нескольких переменныхоткуда Предел и непрерывность функций нескольких переменных при A > 0 и Предел и непрерывность функций нескольких переменных при

A < 0 (сохранение знака).

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

x0 = Предел и непрерывность функций нескольких переменных, равный числу А, обозначаемый так:


Предел и непрерывность функций нескольких переменных


(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


Предел и непрерывность функций нескольких переменных


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 ε > 0 найдется такое δ > 0, что


Предел и непрерывность функций нескольких переменных (13)


для всех х, удовлетворяющих неравенствам

0 < |x – x0| < δ.

Это определение в свою очередь эквивалентно следующему: для любого ε > 0 найдется окрестность U (x0) точки x0 такая, что для всех хПредел и непрерывность функций нескольких переменныхU(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:


Предел и непрерывность функций нескольких переменных


и наоборот.

Рассмотрим некоторую функцию f, заданную во всех точках окрестности точки x0, кроме, быть может, точки x0; пусть ω = (ω1, ..., ωп) – произвольный вектор длины единица (|ω| = 1) и t > 0 – скаляр. Точки вида x0 + tω (0 < t) образуют выходящий из x0 луч в направлении вектора ω. Для каждого ω можно рассматривать функцию


Предел и непрерывность функций нескольких переменных (0 < t < δω)


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

Предел и непрерывность функций нескольких переменных


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

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

Можно говорить о пределе f, когда х → ∞:


Предел и непрерывность функций нескольких переменных (14)


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

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 ε > 0 всегда найдется такое число δ > 0, что для любых точек М, отличных от М0 и удовлетворяющих условию | ММ0 | < δ, будет иметь место неравенство | f(M) – А | < ε.

Предел обозначают Предел и непрерывность функций нескольких переменных В случае функции двух переменных Предел и непрерывность функций нескольких переменных

Теоремы о пределах. Если функции f1(M) и f2(M) при М → М0 стремятся каждая к конечному пределу, то:


а) Предел и непрерывность функций нескольких переменных

б) Предел и непрерывность функций нескольких переменных

в) Предел и непрерывность функций нескольких переменных Предел и непрерывность функций нескольких переменныхПредел и непрерывность функций нескольких переменных

Пример 1. Найти предел функции: Предел и непрерывность функций нескольких переменных

Решение. Преобразуем предел следующим образом:


Предел и непрерывность функций нескольких переменных


Пусть y = kx, тогда Предел и непрерывность функций нескольких переменных

Пример 2. Найти предел функции: Предел и непрерывность функций нескольких переменных

Решение. Воспользуемся первым замечательным пределом Предел и непрерывность функций нескольких переменных Тогда Предел и непрерывность функций нескольких переменных

Пример 3. Найти предел функции: Предел и непрерывность функций нескольких переменных

Решение. Воспользуемся вторым замечательным пределом Предел и непрерывность функций нескольких переменных Тогда Предел и непрерывность функций нескольких переменных

Непрерывность функции нескольких переменных


По определению функция f (x, y) непрерывна в точке (х0, у0), если она определена в некоторой ее окрестности, в том числе в самой точке (х0, у0) и если предел f (x, y) в этой точке равен ее значению в ней:


Предел и непрерывность функций нескольких переменных (1)


Условие непрерывности f в точке (х0, у0) можно записать в эквивалентной форме:


Предел и непрерывность функций нескольких переменных (1')


т.е. функция f непрерывна в точке (х0, у0), если непрерывна функция f (х0 + Δх, у0 + Δу) от переменных Δх, Δу при Δх = Δу = 0.

Можно ввести приращение Δи функции и = f (x, y) в точке (x, y), соответствующее приращениям Δх, Δу аргументов


Δи = f (х + Δх, у + Δу) – f (x, y)


и на этом языке определить непрерывность f в (x, y): функция f непрерывна в точке (x, y), если


Предел и непрерывность функций нескольких переменных (1'')

Теорема. Сумма, разность, произведение и частное непрерывных в точке (х0, у0) функций f и φ есть непрерывная функция в этой точке, если, конечно, в случае частного φ (х0, у0) ≠ 0.

Постоянную с можно рассматривать как функцию f (x, y) = с от переменных x, y. Она непрерывна по этим переменным, потому что


Предел и непрерывность функций нескольких переменных| f (x, y) – f (х0, у0) | = |с – с | = 0 0.


Следующими по сложности являются функции f (x, y) = х и f (x, y) = у. Их тоже можно рассматривать как функции от (x, y), и при этом они непрерывны. Например, функция f (x, y) = х приводит в соответствие каждой точке (x, y) число, равное х. Непрерывность этой функции в произвольной точке (x, y) может быть доказана так:


Предел и непрерывность функций нескольких переменных| f (х + Δх, у + Δу) – f (x, y) | = | f (х + Δх) – х | = | Δх | ≤ Предел и непрерывность функций нескольких переменных 0.


Если производить над функциями x, y и постоянными действия сложения, вычитания и умножения в конечном числе, то будем получать функции, называемые многочленами от x, y. На основании сформулированных выше свойств многочлены от переменных x, y – непрерывные функции от этих переменных для всех точек (x, y) Предел и непрерывность функций нескольких переменных R2.

Отношение P/Q двух многочленов от (x, y) есть рациональная функция от (x, y), очевидно, непрерывная всюду на R2, за исключением точек (x, y), где Q (x, y) = 0.

Функция


Р (x, y) = х3 – у2 + х2у – 4


может быть примером многочлена от (x, y) третьей степени, а функция

Р (x, y) = х4 – 2х2у2 + у4


есть пример многочлена от (x, y) четвертой степени.

Приведем пример теоремы, утверждающей непрерывность функции от непрерывных функций.

Теорема. Пусть функция f (x, y, z) непрерывна в точке (x0, y0, z0) пространства R3 (точек (x, y, z)), а функции


x = φ (u, v), y = ψ (u, v), z = χ (u, v)


непрерывны в точке (u0, v0) пространства R2 (точек (u, v)). Пусть, кроме того,


x0 = φ (u0, v0), y0 = ψ (u0, v0), z0 = χ (u0, v0).


Тогда функция F (u, v) = f [ φ (u, v), ψ (u, v), χ (u, v) ] непрерывна (по

(u, v)) в точке (u0, v0).

Доказательство. Так как знак предела можно внести под знак характеристики непрерывной функции, то


Предел и непрерывность функций нескольких переменныхПредел и непрерывность функций нескольких переменных


Теорема. Функция f (x, y), непрерывная в точке (х0, у0) и не равная нулю в этой точке, сохраняет знак числа f (х0, у0) в некоторой окрестности точки (х0, у0).

По определению функция f (x) = f (x1, ..., хп) непрерывна в точке х0 = (х01, ..., х0п), если она определена в некоторой ее окрестности, в том числе и в самой точке х0, и если предел ее в точке х0 равен ее значению в ней:

Предел и непрерывность функций нескольких переменных (2)


Условие непрерывности f в точке х0 можно записать в эквивалентной форме:


Предел и непрерывность функций нескольких переменных (2')


т.е. функция f (x) непрерывна в точке х0, если непрерывна функция f (х0 +

Если Вам нужна помощь с академической работой (курсовая, контрольная, диплом, реферат и т.д.), обратитесь к нашим специалистам. Более 90000 специалистов готовы Вам помочь.
Бесплатные корректировки и доработки. Бесплатная оценка стоимости работы.

Поможем написать работу на аналогичную тему

Получить выполненную работу или консультацию специалиста по вашему учебному проекту
Нужна помощь в написании работы?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Пишем статьи РИНЦ, ВАК, Scopus. Помогаем в публикации. Правки вносим бесплатно.

Похожие рефераты: