Непрерывность и построение графиков кусочно-заданных функций – сложная тема. Учиться строить графики лучше непосредственно на практическом занятии. Здесь в основном показано исследование на непрерывность.
Известно, что элементарная функция (см. с. 16) непрерывна во всех точках, в которых определена. Поэтому нарушение непрерывности у элементарных функций возможно только в точках двух типов:
а) в точках, где функция «переопределяется»;
б) в точках, где функция не существует.
Соответственно только такие точки и проверяются при исследовании на непрерывность, что показано в примерах.
Для неэлементарных функций исследование сложнее. Например, функция (целая часть числа) определена на всей числовой оси, но терпит разрыв при каждом целомx . Подобные вопросы выходят за рамки пособия.
Перед изучением материала следует повторить по лекции или учебнику, какими (какого рода) бывают точки разрыва.
Исследование кусочно-заданных функций на непрерывность
Функция задана кусочно , если она на разных участках области определения задаётся разными формулами.
Основная идея при исследовании таких функций – выяснить, задана ли функция в тех точках, в которых переопределяется, и как. Затем проверяется, совпадают ли значения функции слева и справа от таких точек.
Пример 1.
Покажем, что функция
непрерывна.
Функция
элементарна и потому непрерывна в тех
точках, в которых определена. Но, очевидно,
она определена во всех точках.
Следовательно, во всех точках она и
непрерывна, в том числе при
,
как требует условие.
То же справедливо
для функции
,
и при
она непрерывна.
В таких случаях
непрерывность может нарушаться только
там, где функция переопределяется. В
нашем примере это точка
.
Проверим её, для чего найдём пределы
слева и справа:
Пределы слева и справа совпадают. Остаётся узнать:
а) определена ли
функция в самой точке
;
б) если да, то
совпадает ли
со значениями пределов слева и справа.
По условию, если
,
то
.
Поэтому
.
Видим, что
(все равны числу 2). Это означает, что в
точке
функция
непрерывна
.
Итак, функция непрерывна на всей оси,
включая точку
.
Замечания к решению
а) При вычислениях
не играло роли, подставляем
мы в конкретную формулу число
или
.
Обычно это важно, когда получается
деление на бесконечно малую величину,
поскольку влияет на знак бесконечности.
Здесь же
и
отвечают только завыбор
функции;
б) как правило,
обозначения
и
равноправны, то же касается обозначений
и
(и справедливо для любой точки, а не
только для
).
Дальше для краткости применяются
обозначения вида
;
в) когда пределы слева и справа равны, для проверки на непрерывность фактически остаётся посмотреть, будет ли одно из неравенств нестрогим . В примере таковым оказалось 2-е неравенство.
Пример 2.
Исследуем на непрерывность функцию
.
По тем же причинам,
что в примере 1, непрерывность может
нарушаться только в точке
.
Проверим:
Пределы слева и
справа равны, но в самой точке
функция не определена (неравенства
строгие). Это означает, что
– точкаустранимого
разрыва
.
«Устранимый
разрыв» означает, что достаточно или
сделать любое из неравенств нестрогим,
или придумать для отдельной точки
функцию, значение которой при
равно –5, или просто указать, что
,
чтобы вся функция
стала непрерывной.
Ответ:
точка
– точка устранимого разрыва.
Замечание 1. В литературе устранимый разрыв обычно считается частным случаем разрыва 1-го рода, однако студентами чаще понимается как отдельный тип разрыва. Во избежание разночтений будем придерживаться 1-й точки зрения, а «неустранимый» разрыв 1-го рода оговаривать особо.
Пример 3.
Проверим, непрерывна ли функция
В точке
Пределы слева и
справа различны:
.
Независимо от того, определена ли функция
при
(да) и если да, то чему равна (равна 2),
точка
–точка
неустранимого разрыва 1-го рода
.
В точке
происходитконечный
скачок
(от
1 к 2).
Ответ:
точка
Замечание 2.
Вместо
и
обычно пишут
и
соответственно.
Возможен вопрос: чем отличаются функции
и
,
а также их графики? Правильный ответ:
а) 2-я функция не
определена в точке
;
б) на графике 1-й
функции точка
«закрашена», на графике 2-й – нет
(«выколотая точка»).
Точка
,
где обрывается график
,
не закрашена на обоих графиках.
Сложнее исследовать функции, по-разному определённые на трёх участках.
Пример 4.
Непрерывна ли функция
?
Так же, как в
примерах 1 – 3, каждая из функций
,
инепрерывна на всей числовой оси, в том
числе – на участке, на котором задана.
Разрыв возможен только в точке
или (и) в точке
,
где функция переопределяется.
Задача распадается на 2 подзадачи: исследовать на непрерывность функции
и
,
причём точка
не представляет интереса для функции
,
а точка
– для функции
.
1-й
шаг.
Проверяем
точку
и функцию
(индекс не пишем):
Пределы совпадают.
По условию,
(если пределы слева и справа равны, то
фактически функция непрерывна, когда
одно и из неравенств нестрогое). Итак,
в точке
функция непрерывна.
2-й
шаг.
Проверяем
точку
и функцию
:
Поскольку
,
точка
– точка разрыва 1-го рода, и значение
(и то, есть ли оно вообще) уже не играет
роли.
Ответ:
функция непрерывна во всех точках, кроме
точки
,
где имеет место неустранимый разрыв
1-го рода – скачок от 6 к 4.
Пример 5.
Найти точки разрыва функции
.
Действуем по той же схеме, что в примере 4.
1-й
шаг.
Проверяем
точку
:
а)
,
поскольку слева от
функция постоянна и равна 0;
б)
(
– чётная функция).
Пределы совпадают,
но при
функция по условию не определена, и
получается, что
– точка устранимого разрыва.
2-й
шаг.
Проверяем
точку
:
а)
;
б)
– значение функции не зависит от
переменной.
Пределы различны:
,
точка
– точка неустранимого разрыва 1-го рода.
Ответ:
– точка устранимого разрыва,
– точка неустранимого разрыва 1-го рода,
в остальных точках функция непрерывна.
Пример 6.
Непрерывна ли функция
?
Функция
определена при
,
поэтому условие
превращается в условие
.
С другой стороны,
функция
определена при
,
т.е. при
.
Значит, условие
превращается в условие
.
Получается, что
должно выполняться условие
,
и область определения всей функции –
отрезок
.
Сами по себе
функции
и
элементарны и потому непрерывны во всех
точках, в которых определены – в
частности, и при
.
Остаётся проверить,
что происходит в точке
:
а)
;
Поскольку
,
смотрим, определена ли функция в точке
.
Да, 1-е неравенство – нестрогое относительно
,
и этого достаточно.
Ответ:
функция определена на отрезке
и непрерывна на нём.
Более сложные случаи, когда одна из составляющих функций неэлементарна или не определена в какой-либо точке своего отрезка, выходят за рамки пособия.
НФ1. Постройте графики функций. Обратите внимание, определена ли функция в той точке, в которой переопределяется, и если да – каково значение функции (слово «если » в определении функции для краткости пропущено):
1) а)
б)
в)
г)
2) а)
б)
в)
г)
3) а)
б)
в)
г)
4) а)
б)
в)
г)
Пример 7.
Пусть
.
Тогда на участке
строим горизонтальную прямую
,
а на участке
строим горизонтальную прямую
.
При этом точка с координатами
«выколота», а точка
«закрашена». В точке
получается разрыв 1-го рода («скачок»),
и
.
НФ2. Исследуйтена непрерывность функции, по-разному определённые на 3-х интервалах. Постройте графики:
1) а)
б)
в)
г)
д)
е)
2) а)
б)
в)
г)
д)
е)
3) а)
б)
в)
г)
д)
е)
Пример 8.
Пусть
.
На участке
строим прямую
,
для чего находим
и
.
Соединяем точки
и
отрезком. Сами точки не включаем,
поскольку при
и
функция по условию не определена.
На участке
и
обводим осьOX
(на ней
),
однако точки
и
«выколоты». В точке
получаем устранимый разрыв, а в точке
– разрыв 1-го рода («скачок»).
НФ3. Постройте графики функций и убедитесь в их непрерывности:
1) а)
б)
в)
г)
д)
е)
2) а)
б)
в)
г)
д)
е)
НФ4. Убедитесь в непрерывности функций и постройте их графики:
1) а)
б)
в)
2 а)
б)
в)
3) а)
б)
в)
НФ5. Постройте графики функций. Обратите внимание на непрерывность:
1) а)
б)
в)
г)
д)
е)
2) а)
б)
в)
г)
д)
е)
3) а)
б)
в)
г)
д)
е)
4) а)
б)
в)
г)
д)
е)
5) а)
б)
в)
г)
д)
е)
НФ6. Постройте графики разрывных функций. Обратите внимание на значение функции в той точке, где функция переопределяется (и существует ли оно):
1) а)
б)
в)
г)
д)
е)
2) а)
б)
в)
г)
д)
е)
3) а)
б)
в)
г)
д)
е)
4) а)
б)
в)
г)
д)
е)
5) а)
б)
в)
г)
д)
е)
НФ7. То же задание, что и в НФ6:
1) а)
б)
в)
г)
д)
е)
2) а)
б)
в)
г)
д)
е)
3) а)
б)
в)
г)
д)
е)
4) а)
б)
в)
г)
д)
е)
Определение точки разрыва функции
Конечная точка x 0
называется точкой разрыва функции
f(x)
,
если функция определена на некоторой проколотой окрестности точки x 0
,
но не является непрерывной в этой точке.
То есть, в точке разрыва, функция либо не определена, либо определена, но хотя бы один односторонний предел в этой точке или не существует, или не равен значению f(x 0 ) функции в точке x 0 . См. «Определение непрерывности функции в точке ».
Определение точки разрыва 1-го рода
Точка называется точкой разрыва первого рода
, если является точкой разрыва и существуют конечные односторонние пределы слева и справа :
.
Определение скачка функции
Скачком Δ функции
в точке называется разность пределов справа и слева
.
Определение точки устранимого разрыва
Точка называется точкой устранимого разрыва
, если существует предел
,
но функция в точке или не определена, или не равна предельному значению: .
Таким образом, точка устранимого разрыва - это точка разрыва первого рода, в которой скачек функции равен нулю.
Определение точки разрыва 2-го рода
Точка разрыва называется точкой разрыва второго рода
, если она не является точкой разрыва 1-го рода.
То есть если не существует, хотя бы одного одностороннего предела, или хотя бы один односторонний предел в точке равен бесконечности.
Исследование функций на непрерывность
При исследовании функций на непрерывность мы используем следующие факты.
- Элементарные функции
и обратные к ним непрерывны на своей области определения. К ним относятся следующие функции:
, а также постоянная и обратные к ним функции. См. «Справочник по элементарным функциям ». - Сумма, разность и произведение
непрерывных, на некотором множестве функций, является непрерывной, функцией на этом множестве.
Частное двух непрерывных, на некотором множестве функций, является непрерывной, функцией на этом множестве, за исключением точек, в которых знаменатель дроби обращается в нуль. См. «Арифметические свойства непрерывных функций » - Сложная функция непрерывна в точке , если функция непрерывна в точке , а функция непрерывна в точке . См. «Предел и непрерывность сложной функции »
Примеры
Пример 1
Задана функция и два значения аргумента и .
Требуется: 1) установить, является ли данная функция непрерывной или разрывной для каждого из данных значений аргумента; 2) в случае разрыва функции найти ее пределы в точке разрыва слева и справа, установить вид разрыва; 3) сделать схематический чертеж.
.
Заданная функция является сложной. Ее можно рассматривать как композицию двух функций:
,
.
Тогда
.
Рассмотрим функцию .
Она составлена из функции и постоянных с помощью арифметических операций сложения и деления. Функция является элементарной - степенной функцией с показателем степени 1
. Она определена и непрерывна для всех значений переменной .
Поэтому функция определена и непрерывна для всех ,
кроме точек, в которых знаменатель дроби обращается в нуль. Приравниваем знаменатель к нулю и решаем уравнение:
.
Получаем единственный корень .
Итак, функция определена и непрерывна для всех ,
кроме точки .
Рассмотрим функцию .
Это показательная функция с положительным основанием степени. Она определена и непрерывна для всех значений переменной .
Поэтому заданная функция определена и непрерывна для всех значений переменной ,
кроме точки .
Таким образом, в точке , заданная функция является непрерывной.
График функции y = 4 1/(x+2) .
Рассмотрим точку . В этой точке функция не определена. Поэтому она не является непрерывной. Установим род разрыва. Для этого находим односторонние пределы.
Используя связь между бесконечно большими и бесконечно малыми функциями , для предела слева имеем:
при ,
,
,
.
Здесь мы использовали следующие общепринятые обозначения:
.
Также мы использовали свойство показательной функции с основанием :
.
Аналогично, для предела справа имеем:
при ,
,
,
.
Поскольку один из односторонних пределов равен бесконечности, то в точке разрыв второго рода.
В точке функция непрерывна.
В точке разрыв второго рода,
.
Пример 2
Задана функция .
Найти точки разрыва функции, если они существуют. Указать род разрыва и скачек функции, если есть. Сделать чертеж.
.
График заданной функции.
Функция является степенной функцией с целым показателем степени, равным 1 . Такую функцию также называют линейной. Она определена и непрерывна для всех значений переменной .
В входят еще две функции: и .
Они составлены из функции и постоянных с помощью арифметических операций сложения и умножения:
,
.
Поэтому они также непрерывны для всех .
Поскольку функции, входящие в состав непрерывны для всех , то может иметь точки разрыва только в точках склейки ее составляющих. Это точки и . Исследуем на непрерывность в этих точках. Для этого найдем односторонние пределы.
Рассмотрим точку .
Чтобы найти левый предел функции в этой точке, мы должны использовать значения этой функции в любой левой проколотой окрестности точки .
Возьмем окрестность .
На ней .
Тогда предел слева:
.
Здесь мы использовали тот факт, что функция является непрерывной в точке (как и в любой другой точке). Поэтому ее левый (как и правый) предел равен значению функции в этой точке.
Найдем правый предел в точке .
Для этого мы должны использовать значения функции в любой правой проколотой окрестности этой точки. Возьмем окрестность .
На ней .
Тогда предел справа:
.
Здесь мы также воспользовались непрерывностью функции .
Поскольку, в точке ,
предел слева не равен пределу справа, то в ней функция не является непрерывной - это точка разрыва. Поскольку односторонние пределы конечны, то это точка разрыва первого рода. Скачек функции:
.
Теперь рассмотрим точку .
Тем же способом вычисляем односторонние пределы:
;
.
Поскольку функция определена в точке и левый предел равен правому, то функция непрерывна в этой точке.
Функция имеет разрыв первого рода в точке . Скачек функции в ней: . В остальных точках функция непрерывна.
Пример 3
Определить точки разрыва функции и исследовать характер этих точек, если
.
Воспользуемся тем, что линейная функция определена и непрерывна для всех .
Заданная функция составлена из линейной функции и постоянных с помощью арифметических операций сложения, вычитания, умножения и деления:
.
Поэтому она определена и непрерывна для всех ,
за исключением точек, в которых знаменатель дроби обращается в нуль.
Найдем эти точки. Приравниваем знаменатель к нулю и решаем квадратное уравнение :
;
;
;
.
Тогда
.
Используем формулу:
.
С ее помощью, разложим числитель на множители:
.
Тогда заданная функция примет вид:
(П1)
.
Она определена и непрерывна для всех ,
кроме точек и .
Поэтому точки и являются точками разрыва функции.
Разделим числитель и знаменатель дроби в (П1) на :
(П2)
.
Такую операцию мы можем проделать, если .
Таким образом,
при .
То есть функции и отличаются только в одной точке: определена при ,
а в этой точке не определена.
Чтобы определить род точек разрыва, нам нужно найти односторонние пределы функции в точках и . Для их вычисления мы воспользуемся тем, что если значения функции изменить, или сделать неопределенными в конечном числе точек, то это не окажет ни какого влияние на величину или существование предела в произвольной точке (см. «Влияние значений функции в конечном числе точек на величину предела »). То есть пределы функции в любых точках равны пределам функции .
Рассмотрим точку .
Знаменатель дроби в функции ,
при в нуль не обращается. Поэтому она определена и непрерывна при .
Отсюда следует, что существует предел при и он равен значению функции в этой точке:
.
Поэтому точка является точкой устранимого разрыва первого рода.
Рассмотрим точку .
Используя связь бесконечно малых и бесконечно больших функций , имеем:
;
.
Поскольку пределы бесконечные, то в этой точке разрыв второго рода.
Функция имеет точку устранимого разрыва первого рода при , и точку разрыва второго рода при .
Использованная литература:
О.И. Бесов. Лекции по математическому анализу. Часть 1. Москва, 2004.
Практическая работа №3
Исследование функции на непрерывность
Цель работы: Развивать и совершенствовать умение определять непрерывность функции, находить точки разрыва функции, закрепить навык вычисления пределов
Средства обучения: учебник Математика стр.62-71, раздаточный материал, рабочая тетрадь по математике.
Форма проведения: фронтальная.
Справочный материал
Определение : Функция f (x ) называется непрерывной в т. х0 если:
1)существует значение функции в точке f (x 0)
2)существует конечный предел в точке х0
3)предел равен значению функции в точке х0
Определение : Функция непрерывна на промежутке, если она непрерывна во всех точках этого промежутка.
Определение : Если в какой-либо точке х0 функция у = f (x ) не является непрерывной, то точка х0 называется точкой разрыва этой функции, а функция у = f (x ) называется разрывной в этой точке.
Точки разрыва 1 рода
Точка х=1 точка устранимого разрыва |
=1 =-1 |
Точки разрыва 2 рода
|
Порядок работы:
Задание 1.
а) у=х2+3 в точке х=-2 Решение: y (-2)=(-2)2+3=7 , функция непрерывна в точке х=-2 | б) у=в точке х=2 Решение: , функция непрерывна в точке х=2 |
Задание 2.
решение
Функция неопределенна в точке х=2, следовательно функция в этой точке не является непрерывной и терпит разрыв. Построим график функции:
Найдём односторонние пределы в точке х=2:
https://pandia.ru/text/79/377/images/image027_20.gif" width="93" height="29 src=">, т. к. односторонние пределы конечны и равны, то точка х=2 точка разрыва 1 рода (точка устранимого разрыва)
решение
Построим график функции:
https://pandia.ru/text/79/377/images/image030_17.gif" width="89" height="29 src=">.gif" width="36" height="41">
решение
Функция неопределенна в точке х=-1, следовательно функция в этой точке не является непрерывной и терпит разрыв. Построим график функции:
Найдём односторонние пределы в точке х=-1:
https://pandia.ru/text/79/377/images/image035_13.gif" width="111" height="41 src="> т. к. нет ни одного конечного предела, то точка х=-1 точка разрыва 2 рода.
Задание для самостоятельного выполнения
Задание 3. Исходя из определения непрерывной функции, докажите непрерывность данных функций в указанных точках
а) у=2х2+1 в точке х=1
б) у=в точке х=-1
Задание 4. Исследуйте функции на непрерывность. Найдите точки разрыва и определите их тип.
Контрольные вопросы:
Понятие непрерывности функции в точке. Непрерывность функции на промежутке. Типы точек разрыва функции. Примеры.
Подведение итогов работы: Анализ выполненных заданий.
Критерии оценки:
«5» -верное выполнение заданий 3(а, б), 4(а, б,в)
«4»- верное выполнение любых 4-х примеров части самостоятельно.
«3»- выполнение заданий 1(а, б), 2(а, б,в)
Основные источники :
Григорьев. М., Академия, 2013.
Богомолов: учеб. Для сузов. -М.: Дрофа, 2009. -395с.
Дополнительные источники
Бугров С. М. Дифференциальное и интегральное исчисление. Высшая школа 1990
Математический анализ в вопросах и задачах. Высшая школа 1987
Говоров П. Т. Сборник конкурсных задач по математике. Академия 2000
Высшая математика в упражнениях и задачах. Академия 2001
Пехлецкий И. Д .Математика. Академия 2001
Сборник задач по математике: Учебное пособие для средних специальных учебных заведений. Академия 2004
Этот математический калькулятор онлайн поможет вам если нужно вычислить предел функции . Программа решения пределов не просто даёт ответ задачи, она приводит подробное решение с пояснениями , т.е. отображает процесс вычисления предела.
Данная программа может быть полезна учащимся старших классов общеобразовательных школ при подготовке к контрольным работам и экзаменам, при проверке знаний перед ЕГЭ, родителям для контроля решения многих задач по математике и алгебре. А может быть вам слишком накладно нанимать репетитора или покупать новые учебники? Или вы просто хотите как можно быстрее сделать домашнее задание по математике или алгебре? В этом случае вы также можете воспользоваться нашими программами с подробным решением.
Таким образом вы можете проводить своё собственное обучение и/или обучение своих младших братьев или сестёр, при этом уровень образования в области решаемых задач повышается.
Введите выражение функцииВычислить предел
Обнаружено что не загрузились некоторые скрипты, необходимые для решения этой задачи, и программа может не работать.
Возможно у вас включен AdBlock.
В этом случае отключите его и обновите страницу.
Чтобы решение появилось нужно включить JavaScript.
Вот инструкции, как включить JavaScript в вашем браузере .
Т.к. желающих решить задачу очень много, ваш запрос поставлен в очередь.
Через несколько секунд решение появится ниже.
Пожалуйста подождите сек...
Если вы заметили ошибку в решении
, то об этом вы можете написать в Форме обратной связи .
Не забудте указать какую задачу
вы решаете и что вводите в поля
.
Наши игры, головоломки, эмуляторы:
Немного теории.
Предел функции при х->х 0
Пусть функция f(x) определена на некотором множестве X и пусть точка \(x_0 \in X \) или \(x_0 \notin X \)
Возьмем из X последовательность точек, отличных от х 0:
x 1 , x 2 , x 3 , ..., x n , ... (1)
сходящуюся к х*. Значения функции в точках этой последовательности также образуют числовую последовательность
f(x 1), f(x 2), f(x 3), ..., f(x n), ... (2)
и можно ставить вопрос о существовании ее предела.
Определение . Число А называется пределом функции f(х) в точке х = х 0 (или при х -> x 0), если для любой сходящейся к x 0 последовательности (1) значений аргумента x, отличных от x 0 соответствующая последовательность (2) значений функции сходится к числу A.
$$ \lim_{x\to x_0}{ f(x)} = A $$
Функция f(x) может иметь в точке x 0 только один предел. Это следует из того, что последовательность
{f(x n)}
имеет только один предел.
Существует другое определение предела функции.
Определение
Число А называется пределом функции f(x) в точке х = x 0 , если для любого числа \(\varepsilon > 0 \)
существует число \(\delta > 0 \) такое, что для всех \(x \in X, \; x \neq x_0 \), удовлетворяющих неравенству \(|x-x_0| Используя логические символы, это определение можно записать в виде
\((\forall \varepsilon > 0) (\exists \delta > 0) (\forall x \in X, \; x \neq x_0, \; |x-x_0| Отметим, что неравенства \(x \neq x_0, \; |x-x_0| Первое определение основано на понятии предела числовой последовательности, поэтому его часто называют определением
«на языке последовательностей». Второе определение называют определением «на языке \(\varepsilon - \delta \)».
Эти два определения предела функции эквивалентны и можно использовать любое из них в зависимости от того, какое более
удобно при решении той или иной задачи.
Заметим, что определение предела функции «на языке последовательностей» называют также определением предела функции по Гейне, а определение предела функции «на языке \(\varepsilon - \delta \)» - определением предела функции по Коши.
Предел функции при x->x 0 - и при x->x 0 +
В дальнейшем будут использованы понятия односторонних пределов функции, которые определяются следующим образом.
Определение Число А называется правым (левым) пределом функции f(x) в точке x 0 , если для любой сходящейся к x 0 последовательности (1), элементы x n которой больше (меньше) x 0 , соответствующая последовательность (2) сходится к А.
Символически это записывается так:
$$ \lim_{x \to x_0+} f(x) = A \; \left(\lim_{x \to x_0-} f(x) = A \right) $$
Можно дать равносильное определение односторонних пределов функции «на языке \(\varepsilon - \delta \)»:
Определение
число А называется правым (левым) пределом функции f(х) в точке x 0 , если для любого
\(\varepsilon > 0 \) существует \(\delta > 0 \) такое, что для всех x, удовлетворяющих неравенствам
\(x_0
Символические записи: