Limita posloupnosti a funkce

Transkript

1 Limita posloupnosti a funkce Petr Hasil Přednáška z Matematické analýzy I c Petr Hasil (MUNI) Limita posloupnosti a funkce MA I (M1101) 1 / 90

2 Obsah 1 Posloupnosti reálných čísel Úvod Limita posloupnosti 2 Limita a spojitost funkce Limita funkce Spojitost funkce c Petr Hasil (MUNI) Limita posloupnosti a funkce MA I (M1101) 2 / 90

3 Posloupnosti reálných čísel Úvod Definice 1 (Rozšířená množina reálných čísel) Rozšířenou množinou reálných čísel R rozumíme množinu reálných čísel R rozšířenou o body a +, tj R = R {, + }. Body ± nazýváme nevlastní body, zatímco body množiny R nazýváme vlastní body. c Petr Hasil (MUNI) Limita posloupnosti a funkce MA I (M1101) 4 / 90

4 Posloupnosti reálných čísel Úvod Pro a R definujeme: a + =, a =, + =, =, =, ( ) ( ) =, ( ) =, ± =, a ± = 0. Je-li a > 0, pak a =, a ( ) =. Je-li a < 0, pak a =, a ( ) =. Poznámka Nejsou definovány výrazy 0 0,, 0,, 00, 1, 0. Tyto výrazy nazýváme neurčité výrazy. Samozřejmě není definováno dělení nulou. c Petr Hasil (MUNI) Limita posloupnosti a funkce MA I (M1101) 5 / 90

5 Posloupnosti reálných čísel Úvod Definice 2 Posloupnost reálných čísel je zobrazení, jehož definičním oborem je množina N a oborem hodnot podmnožina R, tj. a: N R, většinou místo a(n) píšeme a n. Příklad 1 a n = 1 n = {1, 1 2, 1 3,... } {a n } n=1, a n = vzorec pro a n a n = n sin(n π 2 ) {1, 0, 3, 0, 5, 0, 7,... } a n = {1, 1, 2, 1, 2, 3, 1, 2, 3, 4,... } c Petr Hasil (MUNI) Limita posloupnosti a funkce MA I (M1101) 6 / 90

6 Posloupnosti reálných čísel Limita posloupnosti Definice 3 (Limita posloupnosti) Řekneme, že posloupnost a n konverguje k číslu a R, píšeme lim n a n = a, jestliže ke ε > 0 n 0 N: pro n n 0 platí a n a < ε, tj. a n (a ε, a + ε). Řekneme, že posloupnost a n diverguje k + ( ), píšeme lim n a n = + ( ), jestliže ke A R n 0 N takové, že pro n n 0 je a n > A (a n < A). Jestliže posloupnost nekonverguje ani nediverguje, řekneme, že osciluje. c Petr Hasil (MUNI) Limita posloupnosti a funkce MA I (M1101) 8 / 90

7 Posloupnosti reálných čísel Limita posloupnosti Definice 4 (Okoĺı bodu) Libovolný otevřený interval I R obsahující bod x 0 R nazýváme okoĺı bodu x 0 a značíme jej O(x 0 ). Definice 5 (Okoĺı ± ) Necht A R je libovolné. Interval (A, ), resp. (, A), nazýváme okoĺı +, resp.. Poznámka (i) Průnik dvou okoĺı bodu x 0 je opět okoĺım bodu x 0. (ii) Pro dva body x 1 x 2 existují jejich okoĺı tak, že O(x 1 ) O(x 2 ) =. c Petr Hasil (MUNI) Limita posloupnosti a funkce MA I (M1101) 9 / 90

8 Posloupnosti reálných čísel Limita posloupnosti Speciální typy okoĺı bodu δ-okoĺı bodu x 0 O δ (x 0 ) = (x 0 δ, x 0 + δ). Prstencové (ryzí) δ-okoĺı bodu x 0 P δ (x 0 ) = O δ (x 0 ) \ {x 0 } = (x 0 δ, x 0 ) (x 0, x 0 + δ). Levé a pravé δ-okoĺı bodu x 0 O δ (x 0) = (x 0 δ, x 0 ], O + δ (x 0) = [x 0, x 0 + δ). Levé a pravé prstencové δ-okoĺı bodu x 0 P δ (x 0) = (x 0 δ, x 0 ), P + δ (x 0) = (x 0, x 0 + δ). c Petr Hasil (MUNI) Limita posloupnosti a funkce MA I (M1101) 10 / 90

9 Posloupnosti reálných čísel Limita posloupnosti Definice limity posloupnosti pomocí okoĺı bodu Příklad 2 lim a n = a R : O(a) n 0 N n n 0 : a n O(a). n Limita posloupnosti a n = ( 1) n 1 neexistuje. c Petr Hasil (MUNI) Limita posloupnosti a funkce MA I (M1101) 11 / 90

10 Posloupnosti reálných čísel Limita posloupnosti Definice 6 Řekneme, že posloupnost je a n je shora (zdola) ohraničená, jestliže existuje M R takové, že a n M (a n M) pro každé n N. Posloupnost a n je ohraničená, pokud je ohraničená shora i zdola. Řekneme, že a n je rostoucí (neklesající, nerostoucí, klesající), jestliže a n+1 > a n (a n+1 a n, a n+1 a n, a n+1 < a n ) pro n N. c Petr Hasil (MUNI) Limita posloupnosti a funkce MA I (M1101) 12 / 90

11 Posloupnosti reálných čísel Limita posloupnosti Příklad 3 Dokažte, že posloupnost a n = 1 n, n N, je klesající a že lim n a n = 0. n N: 1 n+1 < 1 n n < n < 1. Necht ε > 0 je libovolné. Hledáme n 0 : n n 0 a n a < ε, tj. Označíme n 0 := [ ] 1 ε + 1 (> 1 ε ). 1 n 0 < ε 1 n < ε n > 1 ε. n n 0 > 1 ε 1 n < ε c Petr Hasil (MUNI) Limita posloupnosti a funkce MA I (M1101) 13 / 90

12 Posloupnosti reálných čísel Limita posloupnosti Věta 1 Každá posloupnost má nejvýše jednu limitu. Důkaz. Sporem předpokládejme, že a, b R, a b : a n a a současně a n b. Pro O(a) n 1 N n n 1 : a n O(a) a současně O(b) n 2 N n n 2 : a n O(b). Označme n 0 = max{n 1, n 2 }, pak pro n n 0 : a n O(a) O(b) spor pokud O(a) O(b) =. Uvažujme ε < a b 2, potom O ε (a) O ε (b) =. c Petr Hasil (MUNI) Limita posloupnosti a funkce MA I (M1101) 14 / 90

13 Posloupnosti reálných čísel Limita posloupnosti Věta 2 Necht a n je konvergentní posloupnost, tj. lim a n = a, a R. Pak a n je ohraničená posloupnost. Věta 3 Necht lim a n = a, lim b n = b, a, b R. Pak platí (1) lim(a n ± b n ) = a ± b, (2) lim(a n b n ) = a b, (3) je-li b 0, lim ( a n b n ) = a b, (4) lim a n = a. c Petr Hasil (MUNI) Limita posloupnosti a funkce MA I (M1101) 15 / 90

14 Posloupnosti reálných čísel Limita posloupnosti (Kdyby b = 0, pak jím neděĺıme, ale celý člen je roven nule a stačí b n b < ε M c Petr Hasil (MUNI) Limita posloupnosti a funkce MA I (M1101) 16 / 90 Důkaz bodu (2). Potřebujeme dokázat, že pro ε > 0 existuje n 0 N, n n 0 : a n b n ab < ε. a n b n ab = a n b n a n b + a n b ab a n b n a n b + a n b ab = a n b }{{} n b + b a }{{} n a }{{} M < ε < ε 2M 2 b (Existence M plyne z ohraničenosti a n, tj. a n < M, n N.) Pro libovolné ε > 0 zvoĺıme n 1, n 2 tak, že b n b < ε 2M pro n n 1 a a n a < ε 2 b pro n n 2. Označíme n 0 := max{n 1, n 2 }, potom n n 0 : a n b n ab < M ε 2M + b ε 2 b = ε.

15 Posloupnosti reálných čísel Limita posloupnosti Věta 4 Necht posloupnost a n je neklesající (nerostoucí) a shora (zdola) ohraničená. Pak posloupnost a n je konvergentní, tj. existuje a R: a n a, přičemž a = sup{a n, n N} (a = inf{a n, n N}). Důkaz. Necht posloupnost a n je neklesající a shora ohraničená. Ohraničenost shora A : a n A, tedy existuje supremum. Označme jej a. Potom ε > 0 n 0 N: a n0 > a ε. Kdyby to neplatilo, pak by a nebylo sup{a n }. Posloupnost je neklesající, tedy a n a n0 > a ε, n n 0 lim a n = a. c Petr Hasil (MUNI) Limita posloupnosti a funkce MA I (M1101) 17 / 90

16 Posloupnosti reálných čísel Limita posloupnosti Poznámka (Bernoulliova nerovnost) Pro x R, x > 1 a n N platí (1 + x) n 1 + nx. Pro x 0, n > 1 platí nerovnost ostře. (Důkaz matematickou indukcí.) c Petr Hasil (MUNI) Limita posloupnosti a funkce MA I (M1101) 18 / 90

17 Posloupnosti reálných čísel Limita posloupnosti Příklad 4 Posloupnosti a n = ( 1 + n) 1 n a bn = ( 1 + n) 1 n+1 jsou konvergentní a mají stejnou limitu. Nejprve ukážeme, že a n = ( ) n+1 n n je rostoucí. a n a n 1 = ( n+1 ) n n ( n n 1 ) n 1 = n n 1 = n n 1 ( ) n+1 n n n = n n 1 ( 1 1 n 2 ) n > n n 1 n 1 ( 1 1 n ( n 2 1 ) n 2 ) n = n n 1 = 1 n 1 n a n > a n 1, n > 1 (použita ostrá varianta Bernoulliovy nerovnosti), tedy posloupnost je rostoucí. c Petr Hasil (MUNI) Limita posloupnosti a funkce MA I (M1101) 19 / 90

18 Posloupnosti reálných čísel Limita posloupnosti Podobně ukážeme, že posloupnost b n je klesající. b n 1 b n = > = 1 b n 1 > b n, n > 1, tedy posloupnost je klesající. Nyní stačí uvážit b n = ( n) n+1 = ( n) an > a n, n N, tj. a 1 a n < b n b 1, n N. Tím jsme potvrdili tvrzení o ohraničenosti posloupností a n (shora) a b n (zdola). Obě posloupnosti jsou konvergentní a mají stejnou limitu, tj. lim b [( ] n = lim n n n) an = lim a n. n Definice 7 Limitu lim n ( n) n nazýváme Eulerovo číslo a značíme e. c Petr Hasil (MUNI) Limita posloupnosti a funkce MA I (M1101) 20 / 90

19 Posloupnosti reálných čísel Limita posloupnosti Definice 8 Řekneme, že a R je hromadný bod posloupnosti a n, jestliže v každém okoĺı O(a) existuje nekonečně mnoho indexů n N takových, že a n O(a). Množinu všech hromadných bodů posloupnosti a n budeme značit H(a n ). Příklad 5 a n = ( 1) n 1 = {1, 1, 1, 1,... }; H(a n ) = { 1, 1} a n = ( 1) n n ; H(a n) = { 1, 1} lim a n = a, a R ; H(a n ) = {a} a n = {1, 1, 2, 1, 2, 3, 1, 2, 3, 4,... }; H(a n ) = N { } c Petr Hasil (MUNI) Limita posloupnosti a funkce MA I (M1101) 21 / 90

20 Posloupnosti reálných čísel Limita posloupnosti Definice 9 Necht n 1 < n 2 < n 3 < n 4 < je rostoucí posloupnost přirozených čísel. Pak posloupnost a nk se nazývá vybraná podposloupnost posloupnosti a n. Věta 5 Necht a n a, a R, pak pro každou vybranou podposloupnost posloupnosti a n platí, že a nk a pro k. Důkaz. Vybíráme, ale nepřehazujeme, tj. a n (a ε, a + ε), n n 0 a nk (a ε, a + ε), n k n 0. c Petr Hasil (MUNI) Limita posloupnosti a funkce MA I (M1101) 22 / 90

21 Posloupnosti reálných čísel Limita posloupnosti Věta 6 Číslo a R je hromadným bodem posloupnosti a n právě tehdy, když existuje vybraná podposloupnost a nk posloupnosti a n taková, že a nk a pro k. Důkaz. ( ) Hromadný bod nekonečně mnoho bodů posloupnosti v jeho libovolném okoĺı pro ε k = 1 2 k a nk : a nk a < 1 2 k. ( ) Z definice limity a hromadného bodu. c Petr Hasil (MUNI) Limita posloupnosti a funkce MA I (M1101) 23 / 90

22 Posloupnosti reálných čísel Limita posloupnosti Věta 7 (Princip vnořených intervalů) Necht I n = [a n, b n ] je posloupnost uzavřených intervalů na množině R s vlastností, že intervaly jsou do sebe vnořeny (I n+1 I n ) a lim n (b n a n ) = 0. Pak existuje právě jedno c R s vlastností c I n n N, přičemž platí c = I n = [a n, b n ]. n N n N Důkaz. Posloupnost dolních krajních bodů a n je neklesající a posloupnost horních krajních bodů b n je nerostoucí (plyne z I n+1 I n ), navíc posloupnost a n (b n ) je shora (zdola) omezená. Podle věty 4 existují limity lim a n = a, lim b n = b. Pak platí a = b. (Určitě platí a b, nebot a n b n a kdyby a < b spor s lim(a n b n ) = 0 lim a n = lim b n.) Tedy hledané číslo c = a = b, nebot a n a = c = b b n c I n, n N, tedy leží v průniku c n N I n. Kdyby existovala c 1, c 2 I n a c 2 > c 1 spor s b n a n 0, nebot by pak [c 1, c 2 ] I n. c Petr Hasil (MUNI) Limita posloupnosti a funkce MA I (M1101) 24 / 90

23 Posloupnosti reálných čísel Limita posloupnosti Věta 8 (Bolzano-Weierstrass) Z každé ohraničené posloupnosti lze vybrat konvergentní podposloupnost. Důkaz. Důkaz je založen na metodě půlení intervalů.necht a n je ohraničená posloupnost, pak existuje M 0: a n M n N a n [ M, M] Aspoň jeden z intervalů [ M, 0], [0, M] obsahuje nekonečně mnoho prvků a n.předpokládejme, že to je [0, M] [0, M/2] a [M/2, M], jeden z nich obsahuje nekonečně mnoho členů a n... Metodou půlení intervalů obdržíme posloupnost vnořených intervalů I n, z nichž každý obsahuje nekonečně mnoho prvků posloupnosti a n a pro délku intervalu I n : d(i n ) 0 existuje podle věty 7 právě jedno a I n, tak, že každý interval I k, k N, obsahuje nekonečně mnoho členů posloupnosti a n.vždy vybereme jeden z těchto prvků a označíme jej a nk tak, aby posloupnost n k byla rostoucí, tj. a nk je vybraná podposloupnost z a n, a nk I k, a nk a d(i k ) 0 pro k, tzn. a nk a. c Petr Hasil (MUNI) Limita posloupnosti a funkce MA I (M1101) 25 / 90

24 Posloupnosti reálných čísel Limita posloupnosti Důsledek (Věty 8) Pro libovolnou posloupnost reálných čísel je množina jejích hromadných bodů neprázdná (H(a n ) ). Důkaz. Je-li posloupnost a n ohraničená, podle věty 8 existuje a nk a, tj. a je hromadný bod (podle věty 6). Není-li posloupnost shora (zdola) ohraničená, pak H(a n ) ( H(a n )). c Petr Hasil (MUNI) Limita posloupnosti a funkce MA I (M1101) 26 / 90

25 Posloupnosti reálných čísel Limita posloupnosti Definice 10 Necht a n je posloupnost reálných čísel a H(a n ) je množina jejích hromadných bodů. Hodnoty b = sup H(a n ) R, c = inf H(a n ) R (s konvencí: je-li H(a n ) shora (zdola) neomezená, pak její sup = (inf = )), se nazývají limita superior, limita inferior posloupnosti a n a značí se b = lim sup a n, n c = lim inf n a n. c Petr Hasil (MUNI) Limita posloupnosti a funkce MA I (M1101) 27 / 90

26 Posloupnosti reálných čísel Limita posloupnosti Věta 9 Pro posloupnost reálných čísel a n definujme b n = sup{a k, k n} a c n = inf{a k, k n}. Pak platí, že lim b n = lim sup a n a lim c n = lim inf a n. Důkaz. Z předpokladů je vidět, že b n+1 b n, c n+1 c n, tedy b n je nerostoucí a c n neklesající, pak existuje b = lim b n (b R nebo b = ), podobně existuje c = lim c n (c = nebo c R). Z konstrukce posloupností b n a c n plyne, že jsou supremem, resp. infimem H(a n ). c Petr Hasil (MUNI) Limita posloupnosti a funkce MA I (M1101) 28 / 90

27 Posloupnosti reálných čísel Limita posloupnosti Věta 10 Necht a n je ohraničená posloupnost, b = lim sup a n, c = lim inf a n (b, c R, tj. b, c ± ). Pak ε > 0 n 0 N tak, že pro n n 0 je a n < b + ε, a n > c ε. Důkaz. Sporem necht pro ohraničenou posloupnost a n ε > 0 n 0 N n n 0 : a n b + ε. Pak existuje nekonečně mnoho bodů nad (nebo rovno) b + ε, tj. je zde alespoň jeden hromadný bod (včetně možnosti b + ε a ) spor. c Petr Hasil (MUNI) Limita posloupnosti a funkce MA I (M1101) 29 / 90

28 Posloupnosti reálných čísel Limita posloupnosti Věta 11 Platí, že lim a n = a lim sup a n = lim inf a n = a. Důkaz. ( ) lim a n = a H(a n ) = {a}, lim sup a n = sup H(a n ) = a = inf H(a n ) = lim inf a n. ( ) Podle věty 10 ke ε > 0 n 0 N: n n 0 je a n < lim sup a }{{ n +ε a } b=a současně a n > lim inf a }{{ n ε a } n (a ε, a + ε) lim a n = a. c=a c Petr Hasil (MUNI) Limita posloupnosti a funkce MA I (M1101) 30 / 90

29 Posloupnosti reálných čísel Limita posloupnosti Definice 11 Řekneme, že posloupnost je Cauchyovská, jestliže ke ε > 0 n 0 N takové, že pro m, n N, m, n n 0 je a n a m < ε. c Petr Hasil (MUNI) Limita posloupnosti a funkce MA I (M1101) 31 / 90

30 Posloupnosti reálných čísel Limita posloupnosti Věta 12 Posloupnost a n je konvergentní (a n a R) právě tehdy, když je Cauchyovská. Poznámka Pokud by šlo o racionální čísla (Q), tak věta neplatí. Např. ( n) n Q, ale e Q. c Petr Hasil (MUNI) Limita posloupnosti a funkce MA I (M1101) 32 / 90

31 Posloupnosti reálných čísel Limita posloupnosti Důkaz ( ). Necht je a n konvergentní a lim a n = a. Bud ε R + libovolné. Potom n 0 N : n n 0 je a n a < ε 2. Tedy pro m, n N, m, n n 0 platí a m a n = a m a + a a n = (a m a) (a n a) Posloupnost a n je tedy Cauchyovská. a m a + a n a < ε 2 + ε 2 = ε. c Petr Hasil (MUNI) Limita posloupnosti a funkce MA I (M1101) 33 / 90

32 Posloupnosti reálných čísel Limita posloupnosti Důkaz ( ). Necht je a n je Cauchyovská a ε R + je libovolné. n 0 N : m, n n 0 : a m a n < ε 2. Speciálně platí a n a n0 < ε 2, tedy a n0 ε 2 < a n < a n0 + ε 2, n n 0. Označme c n := inf{a k, k n} a d n := sup{a k, k n}. Potom tedy platí a n0 ε 2 < c n < d n < a n0 + ε 2, n n 0, a n0 ε 2 lim inf a n lim sup a n a n0 + ε 2, n n 0. Tj. lim sup a n R, lim inf a n R a pro libovolné ε R + máme lim sup a n lim inf a n ε, což znamená, že lim sup a n = lim inf a n a n je konvergentní. c Petr Hasil (MUNI) Limita posloupnosti a funkce MA I (M1101) 34 / 90

33 Posloupnosti reálných čísel Limita posloupnosti Příklad 6 2n 3 + 3n n 3 (2 + 3 n lim n 4n 3 = lim + 2 ) n 3 n n n 3 (4 1 = 1 ) 2 n 2 Poznámka st. čitatele < st. jmenovatele 0 st. čitatele > st. jmenovatele ± st. čitatele = st. jmenovatele podíl koeficientů c Petr Hasil (MUNI) Limita posloupnosti a funkce MA I (M1101) 35 / 90

34 Posloupnosti reálných čísel Limita posloupnosti Příklad 7 lim (n n 2 (n n + n) = lim 2 + n)(n + n 2 + n) n n n + n 2 + n = lim n n 2 n 2 n n + n 2 + n 1 n 1 n = lim n 1 + = lim n 1 n 2 +n n 2 1 = n c Petr Hasil (MUNI) Limita posloupnosti a funkce MA I (M1101) 36 / 90

35 Limita funkce Motivace: Příklad 8 f (x) = x 2 + x 2, 1 D(f ) x 1 x 2 + x 2 (x + 2)(x 1) lim = lim = lim (x + 2) = 3 x 1 x 1 x 1 x 1 x 1 Příklad 9 g(x) = { x 2 x 0 1 x = 0 lim g(x) = 0 x 0 c Petr Hasil (MUNI) Limita posloupnosti a funkce MA I (M1101) 38 / 90

36 Limita funkce Definice 12 (Limita) Řekneme, že funkce f má v bodě x 0 R limitu rovnu L R, jestliže ε > 0 δ > 0 takové, že pro x (x 0 δ, x 0 + δ) {x 0 } platí f (x) L < ε. Píšeme lim x x 0 f (x) = L. Definice 13 (Limita pomocí okoĺı) O ε (L) O δ (x 0 ) : x P δ (x 0 ) f (x) O ε (L). Poznámka Limita funkce nezávisí na funkční hodnotě f (x 0 ) (ta nemusí být dokonce ani definována). c Petr Hasil (MUNI) Limita posloupnosti a funkce MA I (M1101) 39 / 90

37 Limita funkce Nepřesně, ale ilustrativně: Je-li x bĺızko x 0, pak je f (x) bĺızko L. c Petr Hasil (MUNI) Limita posloupnosti a funkce MA I (M1101) 40 / 90

38 Limita funkce Definice 14 (Limita, nevlastní limita, limita v nevlastním bodě) Necht x 0, L R. Jestliže ke každému O(L) existuje P(x 0 ) takové, že pro každé x P(x 0 ) platí f (x) O(L), pak řekneme, že lim x x0 f (x) = L. Příklad 10 Např. pro x 0 =, L = máme lim f (x) =, tj. x A R B R : x < B je f (x) > A. Příklad 11 Limita lim x sin x neexistuje. c Petr Hasil (MUNI) Limita posloupnosti a funkce MA I (M1101) 41 / 90

39 Limita funkce Obr.: Nevlastní limita c Petr Hasil (MUNI) Limita posloupnosti a funkce MA I (M1101) 42 / 90

40 Limita funkce Obr.: Limita v nevlastním bodě c Petr Hasil (MUNI) Limita posloupnosti a funkce MA I (M1101) 43 / 90

41 Limita funkce Definice 15 (Jednostranná limita) Limitu zprava lim x x + 0 f (x) = L definujeme takto O(L) P + (x 0 ) : x P + (x 0 ) je f (x) O(L). Limitu zleva definujeme analogicky. (x 0, x 0 + δ) x R P + (x 0 ) = (, B) x = nemá smysl x = c Petr Hasil (MUNI) Limita posloupnosti a funkce MA I (M1101) 44 / 90

42 Limita funkce c Petr Hasil (MUNI) Limita posloupnosti a funkce MA I (M1101) 45 / 90

43 Limita funkce Není-li možné číslo do funkce dosadit jinak než limitně, můžeme představu o limitním chování funkce získat i empiricky a to dosazováním bĺızkých čísel. Podívejme se na chování funkce sin x x pro x 0 +. x 1 0, 1 0, 01 0, 001 0, 0001 sin x x 0, , , , , Z tabulky vidíme, že hodnoty se bĺıží jedničce. A skutečně lim x 0 + sin x x = 1. c Petr Hasil (MUNI) Limita posloupnosti a funkce MA I (M1101) 46 / 90

44 POZOR nejde o neprůstřelnou metodu: Limita funkce x 1 0, 1 0, 01 0, 001 0, 0001 sin π x Přitom lim x 0 + sin π x neexistuje. (Zkuste dosazovat náhodná čísla bĺıžící se k nule zprava.. Např. sin = 0, ) π 0,003 c Petr Hasil (MUNI) Limita posloupnosti a funkce MA I (M1101) 47 / 90

45 Limita funkce Věta 13 (1) Funkce má v libovolném bodě x 0 nejvýše jednu limitu. (2) Je-li lim x x0 f (x) = L R, pak existuje P(x 0 ) takové, že funkce f je v tomto okoĺı ohraničená. Tj. M 0 : f (x) M pro x P(x 0 ). Důkaz. (1) Obdobně jako u limity posloupností. (Sporem předpokládáme existenci dvou limit.) (2) lim x x0 f (x) = L znamená, že pro ε > 0 P(x 0 ) takové, že pro x P(x 0 ) f (x) (L ε, L + ε). Stačí vzít M = max{ L ε, L + ε } f (x) M. c Petr Hasil (MUNI) Limita posloupnosti a funkce MA I (M1101) 48 / 90

46 Limita funkce Věta 14 Necht x 0 R, pak lim x x0 f (x) = L R právě tehdy, když lim x x 0 f (x) = L = lim x x + 0 f (x). Důkaz ( ). lim x x0 f (x) = L, pak podle definice O(L) δ > 0: x (x 0 δ, x 0 + δ) {x 0 } jsou funkční hodnoty f (x) O(L) tj. podle definice lim x x 0 tj. podle definice lim x x + 0 O(L) δ > 0 x (x 0 δ, x 0 ) f (x) O(L), f (x) = L, O(L) δ > 0 x (x 0, x 0 + δ) f (x) O(L), f (x) = L. c Petr Hasil (MUNI) Limita posloupnosti a funkce MA I (M1101) 49 / 90

47 Limita funkce Důkaz ( ). lim x x 0 lim x x 0 a podobně lim x x + 0 f (x) = L a lim x x + 0 f (x) = L, tj. podle definice f (x) = L O(L) δ 1 > 0 : x (x 0 δ 1, x 0 ) f (x) O(L) f (x) = L O(L) δ 2 > 0 : x (x 0, x 0 + δ 2 ) f (x) O(L). Označme δ := min{δ 1, δ 2 } O(L) δ > 0 : x (x 0 δ, x 0 + δ) {x 0 } platí f (x) O(L) lim x x0 f (x) = L. (Toto δ jsme našli.) c Petr Hasil (MUNI) Limita posloupnosti a funkce MA I (M1101) 50 / 90

48 Limita funkce Věta 15 (Věta o třech limitách) Předpokládejme, že existuje P(x 0 ), v němž pro trojici funkcí f, g, h platí nerovnost g(x) f (x) h(x) pro x P(x 0 ). Jestliže lim x x0 g(x) = L a lim x x0 h(x) = L, pak lim x x0 f (x) = L. Důkaz. Přímo z definice limity. c Petr Hasil (MUNI) Limita posloupnosti a funkce MA I (M1101) 51 / 90

49 Limita funkce Věta 16 Necht lim x x0 f (x) = 0 a P(x 0 ), v němž je funkce g ohraničená (tj. M > 0, g(x) M x P(x 0 )), pak lim x x0 [f (x) g(x)] = 0. Důkaz. Necht ε > 0 je lib., chceme f (x) g(x) 0 < ε (pro x bĺızko x 0 ) f (x) g(x) f (x) }{{} malé v okoĺı x 0 g(x) }{{} M na P(x 0 ) f (x) M Protože lim x x0 f (x) = 0, k číslu ε M (> 0) existuje P(x 0 ): x P(x 0 ) f (x) < ε M.Necht P(x 0 ) := P(x 0 ) P(x 0 ), pak x P(x 0 ) : f (x) g(x) 0 f (x) M < ε M M = ε lim x x0 f (x) g(x) = 0. c Petr Hasil (MUNI) Limita posloupnosti a funkce MA I (M1101) 52 / 90

50 Limita funkce Věta 17 Necht lim x x0 f (x) = ( ) a P(x 0 ), v němž je funkce g zdola (shora) ohraničená, pak lim [f (x) + g(x)] = ( ). x x 0 Příklad 12 Použití věty 16: lim x sin 1 x 0 x = 0 f (x) = x, g(x) = sin 1 x a lim x 0 x = 0, sin 1 x 1 Použití věty 17: lim (x + sin x) = +. x c Petr Hasil (MUNI) Limita posloupnosti a funkce MA I (M1101) 53 / 90

51 Limita funkce Poznámka Předpokládejme lim x x0 f (x) = 0. 1 lim x x 0 f (x) =? Např. f (x) = x, x 0 = 0 lim x 0 1 x neexistuje, protože 1 1 lim x 0 x = = lim x 0 + x. c Petr Hasil (MUNI) Limita posloupnosti a funkce MA I (M1101) 54 / 90

52 Limita funkce Věta 18 Necht lim x x0 f (x) = 0 a existuje P(x 0 ), v němž je funkce kladná (záporná), pak 1 lim x x 0 f (x) = ( ). Poznámka 1 kladná nula =, 1 = záporná nula c Petr Hasil (MUNI) Limita posloupnosti a funkce MA I (M1101) 55 / 90

53 Limita funkce Věta 19 Necht x 0 R, lim x x0 f (x) = L 1, lim x x0 g(x) = L 2, L 1, L 2 R. Pak platí (1) lim x x0 [f (x) ± g(x)] = L 1 ± L 2, (2) lim x x0 [f (x) g(x)] = L 1 L 2, (3) L 2 0: lim x x0 f (x) g(x) = L 1 L 2, (4) lim x x0 f (x) = L 1. Důkaz. Podobně jako u posloupností. c Petr Hasil (MUNI) Limita posloupnosti a funkce MA I (M1101) 56 / 90

54 Limita funkce Věta 20 Necht lim f (x) = y 0, x x 0 a existuje P(x 0 ), v němž f (x) y 0, pak lim g(y) = L y y 0 lim x x 0 g ( f (x) ) = L. c Petr Hasil (MUNI) Limita posloupnosti a funkce MA I (M1101) 57 / 90

55 Limita funkce Důkaz. Necht ε > 0 je libovolné. lim y y0 g(y) = L podle definice k ε > 0 existuje P(y 0 ): pro y P(y 0 ) je g(y) O ε (L). lim x x0 f (x) = y 0 podle definice k δ > 0 existuje P(x 0 ): pro x P(x 0 ) je f (x) O δ (y 0 ). Necht P(x 0 ) je prstencové okoĺı bodu x 0, v němž f (x) y 0.Pak pro x P(x 0 ) P(x 0 ), platí f (x) (y 0 δ, y 0 + δ) {y 0 } = P(y 0 ), tedy g ( f (x) ) O ε (L) a podle definice lim x x0 g ( f (x) ) = L. c Petr Hasil (MUNI) Limita posloupnosti a funkce MA I (M1101) 58 / 90

56 Limita funkce Příklad 13 pak ale f (x) 0, g(y) = lim f (x) = 0, lim x 0 { 1 y = 0 0 y 0, g(y) = 0, y 0 lim g( f (x) ) = lim 1 = 1. x 0 x 0 c Petr Hasil (MUNI) Limita posloupnosti a funkce MA I (M1101) 59 / 90

57 Limita funkce Poznámka Tvrzení uvedená dosud v této kapitole platí i pro jednostranné limity (po příslušné modifikaci). c Petr Hasil (MUNI) Limita posloupnosti a funkce MA I (M1101) 60 / 90

58 Limita funkce Věta 21 lim x x0 f (x) = L právě tehdy, když pro každou posloupnost x n x 0 platí, že posloupnost f (x n ) L. Důkaz ( ). Předpokládejme x 0, L R (Pro x 0, L = ± obdobně.) lim x x0 f (x) = L podle definice ε > 0 δ > 0: pro x P δ (x 0 ) je f (x) O ε (L). Necht x n je libovolná posloupnost, pro niž platí x n x 0, pak (dle definice) δ > 0 n 0 N: pro n n 0 x n O δ (x 0 ) f (x n ) O ε (L). Označený text = definice toho, že lim n f (x n ) = L. c Petr Hasil (MUNI) Limita posloupnosti a funkce MA I (M1101) 61 / 90

59 Limita funkce Důkaz ( ). Sporem předpokládejme, že x n x 0 platí f (x n ) L a neplatí lim x x0 f (x) = L, tedy že ε > 0 δ > 0 x P δ (x 0 ) : f (x) O ε (L). Necht δ 1 = 1, x 1 P δ1 (x 0 ): f (x 1 ) O ε (L) δ 2 = 1 2, x 2 P δ2 (x 0 ): f (x 2 ) O ε (L). δ n = 1, x 2 n 1 n P δn (x 0 ): f (x n ) O ε (L) Tím máme x n x 0 < 1 n 0, 2 n 1 tedy existuje x n x 0 a zároveň f (x n ) O ε (L), což je spor s předpokladem ( x n x 0 f (x n ) L). c Petr Hasil (MUNI) Limita posloupnosti a funkce MA I (M1101) 62 / 90

60 Limita funkce Příklad 14 lim x 0 sin x = 0 x > 0 : 0 < sin x < x z věty o třech limitách lim 0 lim sin x lim x 0 + x 0 + x 0 + x, tedy lim x 0 + sin x = 0.Protože sin x je lichá funkce, limita zleva je také nula lim x 0 sin x = 0. lim x 0 cos x = 1 ( lim cos x = lim cos 2 x x 0 x 0 2 sin2 x ) ( ) 2 = lim 1 2 sin 2 x x 0 2 = lim 1 2 lim sin 2 x x 0 x 0 2 = 1 c Petr Hasil (MUNI) Limita posloupnosti a funkce MA I (M1101) 63 / 90

61 Limita funkce Příklad 15 lim x 0 sin x x = 1 x (0, π 2 ) : sin x < x < tg x 1 < x sin x < 1 cos x 1 > sin x x > cos x všechny jdou do 1 pro x 0 +. Protože sin x x je sudá funkce, platí to i pro x 0. c Petr Hasil (MUNI) Limita posloupnosti a funkce MA I (M1101) 64 / 90

62 Limita funkce Příklad 16 e lim x 1 x 0 x = 1 Z definice e máme ( ) n+1 ( n n+1 < e < 1 + n 1) 1. Necht x (0, 1 2 ) a n N splňuje 1 n+1 < x 1 n.potom platí n+1 < e 1 n+1 < e x e 1 n < n 1. Protože n 1 x, platí n x + 1 = x+1 x, tedy 1 n+1 x Vztah n + 1 > 1 x dává n 1 > 1 x 2 = 1 2x, tedy 1 n 1 < x 1 2x.Celkem jsme dostali 1 + x x+1 < ex < 1 + x 1 2x. x x+1. c Petr Hasil (MUNI) Limita posloupnosti a funkce MA I (M1101) 65 / 90

63 Limita funkce Odečteme jedna a poděĺıme x (> 0) 1 x+1 < ex 1 x < 1 1 2x. Pro x 0 + s použitím věty o třech limitách máme lim x 0 + ex 1 x = 1. Limita zleva podobně. c Petr Hasil (MUNI) Limita posloupnosti a funkce MA I (M1101) 66 / 90

64 Limita funkce Příklad 17 lim x 0 a x 1 x = ln a a x 1 e x ln a 1 lim = lim x 0 x x 0 x ln a ln a e x ln a 1 = ln a lim = ln a. x 0 x ln a c Petr Hasil (MUNI) Limita posloupnosti a funkce MA I (M1101) 67 / 90

65 Spojitost funkce Definice 16 (Spojitost v bodě) Řekneme, že funkce f je spojitá v bodě x 0 D(f ), jestliže lim x x0 f (x) existuje a je rovna f (x 0 ), tj. ε > 0 δ > 0 : x O δ (x 0 ) platí f (x) O ε (f (x 0 )). Řekneme, že funkce f je spojitá v bodě x 0 zprava (zleva), je-li ( ) lim x x + 0 f (x) = f (x 0 ) lim x x 0 f (x) = f (x 0 ). c Petr Hasil (MUNI) Limita posloupnosti a funkce MA I (M1101) 69 / 90

66 Spojitost funkce Definice 17 (Spojitost na intervalu) Řekneme, že funkce f je spojitá na otevřeném intervalu (a, b), je-li spojitá v každém x (a, b). Řekneme, že funkce f je spojitá na uzavřeném intervalu [a, b], je-li spojitá na otevřeném intervalu (a, b) a v bodech a (b) je spojitá zprava (zleva). c Petr Hasil (MUNI) Limita posloupnosti a funkce MA I (M1101) 70 / 90

67 Spojitost funkce Příklad 18 { 0 x Q Dirichletova funkce χ(x) = není spojitá v žádném bodě 1 x I (lim x x0 χ(x) neexistuje libovolně malé okoĺı obsahuje 1 i 0). Příklad 19 Funkce f (x) = x χ(x) je spojitá v bodě x 0 = 0 a není spojitá v žádném jiném bodě. lim x x 0 }{{} χ(x) = 0 }{{} 0 ohraničená c Petr Hasil (MUNI) Limita posloupnosti a funkce MA I (M1101) 71 / 90

68 Spojitost funkce Poznámka Představa, že funkce je spojitá jestliže se nepřetrhne platí, ale je zavádějící. Např. funkce f (x) = x(x 1)(x 2)χ(x) je spojitá v bodech 0, 1 a 2. c Petr Hasil (MUNI) Limita posloupnosti a funkce MA I (M1101) 72 / 90

69 Spojitost funkce Věta 22 (Spojitost operací se spojitými funkcemi) Necht f, g jsou funkce spojité v x 0. Pak jsou v x 0 spojité i funkce f ± g, f g a je-li g(x 0 ) 0, je spojitá i funkce f /g. Je-li h funkce, která je spojitá v bodě y 0 = f (x 0 ), pak je v x 0 spojitá i funkce (h f )(x) = h ( f (x) ). Důkaz. Tvrzení plyne z příslušných vět pro limitu funkce. c Petr Hasil (MUNI) Limita posloupnosti a funkce MA I (M1101) 73 / 90

70 Spojitost funkce Věta 23 (O spojitosti elementárních funkcí) (i) Polynom P(x) = a n x n + + a 1 x + a 0 je funkce spojitá na celém R. (ii) Racionální lomená funkce je spojitá ve všech bodech, kde je polynom ve jmenovateli různý od nuly. (iii) Funkce sin x a cos x jsou spojité na R; funkce tg x je spojitá na R {(2k + 1) π 2, k Z}; funkce cotg x je spojitá na R {(kπ, k Z}. (iv) Funkce a x je spojitá na R. c Petr Hasil (MUNI) Limita posloupnosti a funkce MA I (M1101) 74 / 90

71 Spojitost funkce Důkaz. (i) lim x x0 x = x 0, tedy f (x) = x je spojitá na R. Ze spojitosti operací (V.22) vyplývá spojitost P(x) na R. (ii) f (x) = P(x) Q(x), pak f je spojitá na R {α : Q(α) = 0}. (iii) Pro f (x) = sin x potřebujeme dokázat, že lim x x0 (sin x sin x 0 ) = 0. lim (sin x sin x 0 ) = 2 lim x x 0 (cos x + x 0 x x0 }{{ 2 } ohraničená (iv) lim x x0 (a x a x 0 ) = lim x x0 a x 0 (a x x 0 }{{} 1) = 0. 1 sin x x 0 2 } {{ } 0 ) = 0. c Petr Hasil (MUNI) Limita posloupnosti a funkce MA I (M1101) 75 / 90

72 Spojitost funkce Věta 24 Necht f je spojitá a rostoucí (klesající) na itervalu I, pak inverzní funkce f 1 je také spojitá a rostoucí (klesající) na f (I ) = {y R : x I, f (x) = y}. Důkaz. Předpokládejme, že f je rostoucí (pro klesající postupujeme obdobně). Tvrzení o monotonii f 1 bylo dokázáno už dříve, stačí tedy dokázat spojitost. Necht y 0 f (I ). Potřebujeme dokázat, že ke ε > 0 δ > 0: y O δ (y 0 ) f 1 (y) O ε (f 1 (y 0 )). Tuto konstrukci lze provést záměnou ε a δ v definici spojitosti funkce f v bodě x 0 = f 1 (y 0 ), tj. v definici lim x x0 f (x) = f (x 0 ). c Petr Hasil (MUNI) Limita posloupnosti a funkce MA I (M1101) 76 / 90

73 Spojitost funkce Věta 25 (1. Weierstrassova věta) Necht funkce f je na uzavřeném intervalu [a, b] spojitá. Pak je na tomto intervalu ohraničená, tj. existuje M 0: f (x) M x [a, b], neboli f ([a, b]) je ohraničená množina. Důkaz. Sporem předpokládejme, že f není shora ohraničená (pro ohraničenost zdola by se postupovalo obdobně), tj. n N x n takové, že f (x n ) > n. Posloupnost x n [a, b], tzn. že je ohraničená a podle Bolzanovy-Weierstrassovy věty existuje vybraná konvergentní podposloupnost x nk c [a, b].ze spojitosti f plyne f (x nk ) f (c) a současně f (x nk ) > n k. Spor posloupnost nemůže jít současně ke konstantě a do nekonečna. c Petr Hasil (MUNI) Limita posloupnosti a funkce MA I (M1101) 77 / 90

74 Spojitost funkce Věta 26 (2. Weierstrassova věta) Necht funkce f je spojitá na uzavřeném intervalu [a, b], dále necht M = sup{f (x), x [a, b]} a m = inf{f (x), x [a, b]}. Pak existují čísla x 1, x 2 taková, že f (x 1 ) = M, f (x 2 ) = m. Tedy spojitá funkce nabývá na uzavřeném intervalu své největší a nejmenší hodnoty. c Petr Hasil (MUNI) Limita posloupnosti a funkce MA I (M1101) 78 / 90

75 Spojitost funkce Důkaz. Dokážeme pro M (pro m analogicky).podle definice suprema ε > 0 x [a, b] : f (x) > M ε a M f (x). ε 1 = 1 x 1 [a, b] : M f (x 1 ) > M ε 1, ε 2 = 1 2 x 2 [a, b] : M f (x 2 ) > M ε 2,. ε n = 1 2 n 1 x n [a, b] : M f (x n ) > M ε n. Výsledkem konstrukce je posloupnost x n [a, b]: M f (x n ) > M 1 2 n 1. c Petr Hasil (MUNI) Limita posloupnosti a funkce MA I (M1101) 79 / 90

76 Spojitost funkce Posloupnost x n je ohraničená, tedy (podle Bolzanovy-Weierstrassovy věty) existuje vybraná konvergentní podposloupnost, tj. x nk k c [a, b]. Funkce f je spojitá, pak podle věty 21 lim f (x n k ) = f (c) a současně M f (x nk ) > M 1, k 2 n 1 tj. lim k f (x nk ) = M a tedy f (c) = M. Bod c je proto hledaným bodem, v němž funkce nabývá hodnotu M. c Petr Hasil (MUNI) Limita posloupnosti a funkce MA I (M1101) 80 / 90

77 Spojitost funkce Věta 27 (1. Bolzanova věta) Necht funkce f je spojitá na intervalu [a, b] a v krajních bodech intervalu nabývá hodnot s opačným znaménkem (f (a) f (b) < 0). Pak existuje číslo c (a, b) takové, že f (c) = 0. c Petr Hasil (MUNI) Limita posloupnosti a funkce MA I (M1101) 81 / 90

78 Spojitost funkce Důkaz. Použijeme metodu půlení intervalů. Necht x 1 (a, b). Pak nastává jedna z následujících možností. 1 f (x 1 ) = 0 c = x 1 2 f (x 1 ) 0, pak alespoň jeden z intervalů [a, x 1 ], [x 1, b] má funkce f v krajních bodech opačné znaménko zvoĺıme x 2 z tohoto intervalu. 1 f (x 2 ) = 0 c = x 2 2 f (x 2 ) 0, pak alespoň jeden z intervalů... Tuto konstrukci opakujeme a bud po konečném počtu kroků najdeme c : f (c) = 0, nebo je výsledkem posloupnost vnořených uzavřených intervalů I 1 I 2 I n = [a n, b n ] s opačnými znaménky v krajních bodech. c Petr Hasil (MUNI) Limita posloupnosti a funkce MA I (M1101) 82 / 90

79 Spojitost funkce Tedy b n a n 0, pak (dle principu vnořených intervalů)!c n N I n, tj. c = lim a n a c = lim b n. Ze spojitosti plyne lim f (a n ) = f (c) }{{}}{{} <0 0 lim f (b n ) = f (c) }{{}}{{} >0 0 f (c) 0 f (c) 0 f (c) = 0. c Petr Hasil (MUNI) Limita posloupnosti a funkce MA I (M1101) 83 / 90

80 Spojitost funkce Věta 28 (2. Bolzanova věta) Necht funkce f je spojitá na intervalu [a, b] a M = sup{f (x), x [a, b]}, m = inf{f (x), x [a, b]}. Pak y [m, M] c [a, b] : f (c) = y. Tj. spojitá funkce na uzavřeném intervalu nabývá všech hodnot mezi svou největší a nejmenší hodnotou. c Petr Hasil (MUNI) Limita posloupnosti a funkce MA I (M1101) 84 / 90

81 Spojitost funkce Důkaz. Pokud y = M, nebo y = m, tvrzení plyne z 2. Weierstrassovy věty. Pokud y (m, M), pak uvažujme funkci g(x) = f (x) y. Necht x 1, x 2 [a, b] jsou taková, že f (x 1 ) = m, f (x 2 ) = M, pak g(x 1 ) = m y < 0, g(x 2 ) = M y > 0. Funkce g je spojitá a podle 1. Bolzanovy věty existuje číslo c: g(c) = 0, tedy f (c) = y. c Petr Hasil (MUNI) Limita posloupnosti a funkce MA I (M1101) 85 / 90

82 Spojitost funkce Poznámka Důsledek spojitý obraz spojitého je spojitý f ([a, b]) = [m, M]. Předpoklad spojitosti na uzavřeném intervalu [a, b] nelze zeslabit, např. nahradit spojitostní na (a, b): f (x) = 1 x je na (0, 1) spojitá, ale ne omezená. Polynom P(x) lichého stupně má aspoň jeden reálný kořen. lim x P(x) =, lim x P(x) = (nebo obráceně). musí protnout osu x. Metoda půlení intervalů = numerické řešení rovnice f (x) = 0. c Petr Hasil (MUNI) Limita posloupnosti a funkce MA I (M1101) 86 / 90

83 Spojitost funkce Body nespojitosti Rozlišujeme následující typy bodů nespojitosti. (a) Odstranitelná nespojitost: Existuje vlastní limita lim x x0 f (x) = L, ale L f (x 0 ). (f (x 0 ) nemusí být ani definována.) (b) Nespojitost prvního druhu (skok): Existují obě vlastní jednostranné limity lim x x f (x) = L 1 a 0 lim x x + f (x) = L 2, ale L 1 L 2. 0 (c) Nespojitost druhého druhu: Aspoň jedna jednostranná limita neexistuje, nebo je nevlastní. c Petr Hasil (MUNI) Limita posloupnosti a funkce MA I (M1101) 87 / 90

84 Spojitost funkce Spojité dodefinování Má-li funkce f v bodě x 0 odstranitelnou nespojitost a lim x x0 f (x) = L, můžeme ji v tomto bodě spojitě dodefinovat jako { L, x = x 0, f (x) = f (x), x D(f ) {x 0 }. c Petr Hasil (MUNI) Limita posloupnosti a funkce MA I (M1101) 88 / 90

85 Spojitost funkce Příklad 20 { sin x f (x) = x x 0 0 x = 0 sin x Funkce není spojitá v bodě x = 0, nebot lim x 0 x odstranitelná nespojitost. = 1 f (0), x = 0 je Příklad 21 f (x) = arctg 1 x Funkce má skok v x = 0. c Petr Hasil (MUNI) Limita posloupnosti a funkce MA I (M1101) 89 / 90

86 Spojitost funkce Příklad 22 { sin 1 f (x) = x x 0 0 x = 0 Limita lim x 0 sin 1 x neexistuje, tedy x = 0 je nespojitost druhého druhu. Příklad 23 f (x) = e 1/x Jedna jednostranná limita je nevlastní, tedy x = 0 je bod nespojitosti druhého druhu. c Petr Hasil (MUNI) Limita posloupnosti a funkce MA I (M1101) 90 / 90