Предел функции двух переменных.Понятие и примеры решений. Предел функции нескольких переменных Двойной предел функции двух переменных

Определение функции нескольких переменных. Основные понятия.

Если каждой паре независимых друг от друга чисел (х,у) из некоторого множества по какому-либо правилу ставится в соответствие одно значение переменной z, то она называется функцией двух переменных . z=f(x,y,)

Область определения функции z - совокупность пар (х,у), при которых функция z существует.

Множество значений (область значений) функции – все значения, которые принимает функция в ее области определения.

График функции двух переменных - множество точек P, координаты которых удовлетворяют уравнению z=f(x,y)

Окрестность точки M0 (х0;y0) радиуса r – совокупность всех точек (x,y), которые удовлетворяют условию < r

Область определения и область значений функции нескольких переменных. График функции нескольких переменных.

Предел и непрерывность функции нескольких переменных.

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 (х 0 , у 0), равный числу А , обозначаемый так:

(1)

(пишут еще f (x, y) →А при (x, y) → (х 0 , у 0)), если она определена в некоторой окрестности точки (х 0 , у 0), за исключением, быть может, самой этой точки и если существует предел

(2)

какова бы ни была стремящаяся к (х 0 , у 0) последовательность точек (x k ,y k ).

Так же, как в случае функции одной переменной, можно ввести другое эквивалентное определение предела функции двух переменных: функция f имеет в точке (х 0 , у 0) предел, равный А , если она определена в некоторой окрестности точки (х 0 , у 0) 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 < < δ. (4)

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

Так как координаты произвольной точки (x, y ) окрестности точки (х 0 , у 0) можно записать в виде х = х 0 + Δх , у = у 0 + Δу , то равенство (1) эквивалентно следующему равенству:

Рассмотрим некоторую функции, заданную в окрестности точки (х 0 , у 0), кроме, быть может, самой этой точки.

Пусть ω = (ω х , ω у ) – произвольный вектор длины единица (|ω| 2 = ω х 2 + ω у 2 = 1) и t > 0 – скаляр. Точки вида

(х 0 + t ω х , y 0 + t ω у ) (0 < t )

образуют луч, выходящий из (х 0 , у 0) в направлении вектора ω. Для каждого ω можно рассматривать функцию

f (х 0 + t ω х , y 0 + t ω у ) (0 < t < δ)

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

Предел этой функции (одной переменной t )

f (х 0 + t ω х , y 0 + t ω у ),

если он существует, естественно называть пределом f в точке (х 0 , у 0) по направлению ω.

Пример 1. Функции

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

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

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

).

Число А называется пределом функции f(M) при М → М 0 , если для любого числа ε > 0 всегда найдется такое число δ > 0, что для любых точек М , отличных от М 0 и удовлетворяющих условию | ММ 0 | < δ, будет иметь место неравенство | f(M) – А | < ε.

Предел обозначают В случае функции двух переменных

Теоремы о пределах. Если функции f 1 (M) и f 2 (M) при М → М 0 стремятся каждая к конечному пределу, то:

в)

Непрерывность функции нескольких переменных

По определению функция f (x, y) непрерывна в точке (х 0 , у 0), если она определена в некоторой ее окрестности, в том числе в самой точке (х 0 , у 0) и если предел f (x, y) в этой точке равен ее значению в ней:

(1)

Условие непрерывности f в точке (х 0 , у 0) можно записать в эквивалентной форме:

(1")

т.е. функция f непрерывна в точке (х 0 , у 0), если непрерывна функция f (х 0 + Δх , у 0 + 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

(1"")

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

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

| f (x, y) – f (х 0 , у 0) | = |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:

| f (х + Δх , у + Δу) – f (x, y) | = | f (х + Δх) – х | = | Δх | ≤ 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) R 2 .

Отношение P/Q двух многочленов от (x, y) есть рациональная функция от (x,y) , очевидно, непрерывная всюду на R 2 , за исключением точек (x, y) , где Q(x, y) = 0.

Р (x, y) = х 3 – у 2 + х 2 у – 4

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

Р (x, y) = х 4 – 2х 2 у 2 + у 4

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 (x 0 , y 0 , z 0 ) пространства R 3 (точек (x, y, z) ), а функции

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

непрерывны в точке (u 0 , v 0 ) пространства R 2 (точек (u, v) ). Пусть, кроме того,

x 0 = φ (u 0 , v 0 ), y 0 = ψ (u 0 , v 0 ), z 0 = χ (u 0 , v 0 ) .

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

(u, v) ) в точке (u 0 , v 0 ) .

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

Теорема. Функция f (x, y) , непрерывная в точке (х 0 , у 0) и не равная нулю в этой точке, сохраняет знак числа f (х 0 , у 0) в некоторой окрестности точки (х 0 , у 0).

По определению функция f (x) = f (x 1 , ..., х п) непрерывна в точке х 0 =(х 0 1 , ..., х 0 п) , если она определена в некоторой ее окрестности, в том числе и в самой точке х 0 , и если предел ее в точке х 0 равен ее значению в ней:

(2)

Условие непрерывности f в точке х 0 можно записать в эквивалентной форме:

(2")

т.е. функция f (x) непрерывна в точке х 0 , если непрерывна функция f (х 0 +h) от h в точке h = 0.

Можно ввести приращение f в точке х 0 , соответствующее приращению h = (h 1 , ..., h п) ,

Δ h f (х 0 ) = f (х 0 + h) – f (х 0 )

и на его языке определить непрерывность f в х 0: функция f непрерывна в х 0 , если

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

Замечание. Приращение Δ h f (х 0 ) называют также полным приращением функцииf в точке х 0 .

В пространстве R n точек х = (x 1 , ..., х п) зададим множество точек G .

По определению х 0 = (х 0 1 , ..., х 0 п) есть внутренняя точка множества G , если существует открытый шар с центром в нем, полностью принадлежащий к G .

Множество G R n называется открытым, если все его точки внутренние.

Говорят, что функции

х 1 = φ 1 (t) , ..., х п = φ п (t) (a ≤ t ≤ b)

непрерывные на отрезке [a , b ], определяют непрерывную кривую в R n , соединяющую точки х 1 = (х 1 1 , ..., х 1 п) и х 2 = (х 2 1 , ..., х 2 п) , где х 1 1 = φ 1 (а) , ..., х 1 п = φ п (а) , х 2 1 = φ 1 (b) , ..., х 2 п = φ п (b) . Букву t называют параметром кривой.

Рассмотренные выше понятия функций двух или трех переменных можно обобщать на случай переменных.

Определение. Функцией переменных
называется функция, область определения
которой принадлежит
, а область значений – действительной оси.

Такая функция каждому набору переменных
из
сопоставляет единственное число.

В дальнейшем для определенности мы будем рассматривать функции
переменных, но все утверждения сформулированные для таких функции остаются верными и для функций большего числа переменных.

Определение. Число называется пределом функции

в точке
, если для каждого
найдется такое число
что при всех
из окрестности
, кроме этой точки, выполняется неравенство

.

Если предел функции
в точке
равен, то это обозначается в виде

.

Практически все свойства пределов рассмотренные нами ранее для функций одной переменной остаются справедливыми и для пределов функций нескольких переменных, однако практическим нахождением таких пределов мы заниматься не будем.

Определение. Функция
называется непрерывной в точке
если выполняется три условия:

1) существует

2) существует значение функции в точке

3) эти два числа равны между собой, т.е. .

Практически исследовать непрерывность функции можно с помощью следующей теоремы.

Теорема. Любая элементарная функция
непрерывна во всех внутренних (т.е. не граничных) точках своей области определения.

Пример. Найдем все точки, в которых функция

непрерывна.

Как было отмечено выше, эта функция определена в замкнутом круге

.

Внутренние точки этого круга является искомыми точками непрерывности функции, т.е. функция
непрерывна в открытом круге
.

Определение понятия непрерывности в граничных точках области определения
функции возможно, но мы этот вопрос в курсе затрачивать не будем.

1.3 Частные приращения и частные производные

В отличие от функций одной переменной, функций нескольких переменных имеют различные виды приращений. Это связано с тем, что перемещения в плоскости
из точки
можно осуществлять по различным направлениям.

Определение. Частным приращением по функции
в точке
соответствующим приращению
называется разность

Это приращение по существу является приращением функции одной переменной
полученной из функции
при постоянном значении
.

Аналогично частным приращением по в точке
функции
соответствующим приращению
называется разность

Это приращение вычисляется при фиксированном значении
.

Пример. Пусть

,
,
. Найдем частные приращения этой функции пои по

В данном примере при равных значениях приращений аргументов
и
, частные приращения функции оказались различными. Это связано с тем, что площадь прямоугольника со сторонами
и
при увеличении сторонына
увеличивается на величину
, а при увеличении сторонына
увеличивается на
(см.рис.4).

Из того факта, что функция двух переменных имеет два вида приращений, следует, что для нее можно определить два вида производных.

Определение . Частной производной по функции
в точке
называется предел отношения частного приращения поэтой функции в указанной точке к приращению
аргументат.е.

. (1)

Такие частные производные обозначаются символами ,,,. В последних случаях круглая буква “” – “” означает слово “частная”.

Аналогично, частная производная по в точке
определяется с помощью предела

. (2)

Другие обозначения этой частной производной: ,,.

Частные производные функций находятся по известным правилам дифференцирования функции одной переменной, при этом все переменные, кроме той, по которой дифференцируется функция, считаются постоянными. Так при нахождении переменнаяпринимается за постоянную, а при нахождении- постоянная.

Пример. Найдем частные производные функции
.

,
.

Пример. Найдем частные производные функции трех переменных

.

;
;
.

Частные производные функции
характеризуют скорости изменения этой функции в случае, когда одна из переменных фиксируется.

Пример по экономики.

Основным понятием теории потребления является функция полезности
. Эта функция выражает меру полезности набора
, где х- количество товара Х, у - количество товара У. Тогда частные производные
будут соответственно называться предельными полезностями х и у. Предельная норма замещения
одного товара другим равна отношению их предельных полезностей:

. (8)

Задача 1. Найти предельную норму замещения ч на у для функции полезности в точке А(3,12).

Решение: по формуле (8) получаем

Экономический смысл предельной нормы замещения заключается в обосновании формулы
, где-цена товара Х,- цена товара У.

Определение. Если у функции
имеются частные производные, то ее частными дифференциалами называются выражения

и

здесь
и
.

Частные дифференциалы являются дифференциалами функций одной переменной полученных из функции двух переменных
при фиксированныхили.

Примеры из экономики. Рассмотрим в качестве примера функцию Кобба-Дугласа.

Величина - средняя производительность труда, так как это количество продукции (в стоимостном выражении), произведенное одним рабочим.

Величина
- средняя фондоотдача- количество продукции, приходящееся на один станок.

Величина
- средняя фондовооруженность- стоимость фондов, приходящееся на единицу трудовых ресурсов.

Поэтому частная производная
называется предельной производительностью труда, так как она равна добавочной стоимости продукции, произведенной еще одним дополнительным рабочим.

Аналогично,
- предельная фондоотдача.

В экономике часто задают вопросы: на сколько процентов изменится выпуск продукции, если число рабочих увеличить на 1% или если фонды возрастут на 1%? Ответы на такие вопросы дают понятия эластичности функции по аргументу или относительная производная. Найдем эластичность выпуска продукции по труду
. Подставляя в числитель вычисленную выше частную производную, получим
. Итак, параметримеет ясный экономический смысл – это эластичность выпуска по труду.

Аналогичный смысл имеет и параметр - это эластичность выпуска по фондам.

Рассмотрим плоскость и систему Oxy декартовых прямоугольных координат на ней (можно рассматривать и другие системы координат).

Из аналитической геометрии знаем, что каждой упорядоченной паре чисел (x, y) можно сопоставить единственную точкуM плоскости и наоборот, каждой точкеM плоскости соответствует единственная пара чисел.

Поэтому в дальнейшем, говоря о точке, мы будем часто подразумевать соответствующую ей пару чисел (x, y) и наоборот.

Определение 1.2 Множество пар чисел (x, y) , удовлетворяющих неравенствам, называется прямоугольником (открытым).

На плоскости он изобразится прямоугольником (рис. 1.2) со сторонами, параллельными осям координат, и с центром в точке M 0 (x 0 y 0 ) .

Прямоугольник принято обозначать следующим символом:

Введем важное для дальнейшего изложения понятие: окрестность точки.

Определение 1.3 Прямоугольной δ -окрестностью (дельта-окрестностью ) точкиM 0 (x 0 y 0 ) называется прямоугольник

с центром в точке M 0 и с одинаковыми по длине сторонами2δ .

Определение 1.4 Круговой δ - окрестностью точкиM 0 (x 0 y 0 ) называется круг радиусаδ с центром в точкеM 0 , т. е. множество точекM(xy) , координаты которых удовлетворяют неравенству:

Можно ввести понятия окрестностей и других видов, но для целей математического анализа технических задач, в основном, используются лишь прямоугольные и круговые окрестности.

Введём следующее понятие предела функции двух переменных.

Пусть функция z = f (x, y) определена в некоторой областиζ иM 0 (x 0 y 0 ) - точка, лежащая внутри или на границе этой области.

Определение 1.5Конечное число A называетсяпределом функции f (x, y) при

если для любого положительного числа ε можно найти такое положительное числоδ , что неравенство

выполняется для всех точек М(х,у) из областиζ , отличных отM 0 (x 0 y 0 ) , координаты которых удовлетворяют неравенствам:

Смысл этого определения состоит в том, что значения функции f (х, у) как угодно мало отличаются от числа А в точках достаточно малой окрестности точкиМ 0 .

Здесь в основу определения положены прямоугольные окрестности М 0 . Можно было бы рассматривать круговые окрестности точкиМ 0 и тогда нужно было бы требовать выполнения неравенства

во всех точках М(х,у) областиζ , отличных отМ 0 и удовлетворяющих условию:

Расстояние между точками М иМ 0 .

Употребительны следующие обозначения предела:

Учитывая определение предела функции двух переменных, можно перенести основные теоремы о пределах для функций одной переменной на функции двух переменных.

Например, теоремы о пределе суммы, произведения и частного двух функций.

§3 Непрерывность функции двух переменных

Пусть функция z = f (x ,y) определена в точкеM 0 (x 0 y 0 ) и её окрестности.

Определение 1.6 Функция называется непрерывной в точке M 0 (x 0 y 0 ) , если

Если функция f (x ,y) непрерывна в точкеM 0 (x 0 y 0 ) , то

Поскольку

То есть, если функция f (x ,y) непрерывна в точкеM 0 (x 0 y 0 ) , то бесконечно малым приращениям аргументов в этой области соответствует бесконечно малое приращениеΔz функцииz .

Справедливо и обратное утверждение: если бесконечно малым приращениям аргументов соответствует бесконечно малое приращение функции, то функция непрерывна

Функцию, непрерывную в каждой точке области, называют непрерывной в области. Для непрерывных функций двух переменных, так же, как и для функции одной переменной, непрерывной на отрезке, справедливы основополагающие теоремы Вейерштрасса и Больцано - Коши.

Справка: Карл Теодор Вильгельм Вейерштрасс (1815 - 1897) - немецкий математик. Бернард Больцано (1781 - 1848) - чешский математик и философ. Огюстен Луи Коши (1789 - 1857) - французский математик, президент французской Академии наук (1844 - 1857).

Пример 1.4. Исследовать на непрерывность функцию

Данная функция определена при всех значениях переменных x иy , кроме начала координат, где знаменатель обращается в нуль.

Многочлен x 2 +y 2 непрерывен всюду, а значит и непрерывен корень квадратный из непрерывной функции.

Дробь же будет непрерывной всюду, кроме точек, где знаменатель равен нулю. То есть рассматриваемая функция непрерывна на всей координатной плоскости Оху , исключая начало координат.

Пример 1.5. Исследовать на непрерывность функцию z=tg(x,y) . Тангенс определен и непрерывен при всех конечных значениях аргумента, кроме значений, равных нечетному числу величиныπ/2 , т.е. исключая точки, где

При каждом фиксированном "k" уравнение (1.11) определяет гиперболу. Поэтому рассматриваемая функция является непрерывной функциейx и y , исключая точки, лежащие на кривых (1.11).

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 (х 0 , у 0), равный числу А , обозначаемый так:

(пишут еще f (x, y) >А при (x, y) > (х 0 , у 0)), если она определена в некоторой окрестности точки (х 0 , у 0), за исключением, быть может, самой этой точки и если существует предел

какова бы ни была стремящаяся к (х 0 , у 0) последовательность точек (x k , y k ).

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

| f (x, y) - A | < е (3)

для всех (x, y)

0 < < д. (4)

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

Так как координаты произвольной точки (x, y ) окрестности точки (х 0 , у 0) можно записать в виде х = х 0 + Дх , у = у 0 + Ду , то равенство (1) эквивалентно следующему равенству:

Рассмотрим некоторую функции, заданную в окрестности точки (х 0 , у 0), кроме, быть может, самой этой точки.

Пусть щ = (щ х , щ у ) - произвольный вектор длины единица (|щ| 2 = щ х 2 + щ у 2 = 1) и t > 0 - скаляр. Точки вида (х 0 + t щ х , y 0 + t щ у ) (0 < t )

образуют луч, выходящий из (х 0 , у 0) в направлении вектора щ. Для каждого щ можно рассматривать функцию

f (х 0 + t щ х , y 0 + t щ у ) (0 < t < д)

от скалярной переменной t , где д - достаточно малое число.

Предел этой функции (одной переменной t )

f (х 0 + t щ х , y 0 + t щ у ),

f в точке (х 0 , у 0) по направлению щ.

Пример 1. Функции

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

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

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

Пример 2. Рассмотрим в R 2 функцию

(х 4 + у 2 ? 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 = х 2

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

| f (x, y) | > N ,

коль скоро 0 < < д.

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

А равенство (5) надо понимать в том смысле, что для всякого е > 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 | < е.

Справедливы равенства

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

Докажем для примера (7).

Пусть (x k , y k ) > (х 0 , у 0) ((x k , y k ) ? (х 0 , у 0)); тогда

Таким образом, предел в левой части (9) существует и равен правой части (9), а так как последовательность (x k , y k ) стремится к (х 0 , у 0) по любому закону, то этот предел равен пределу функции f (x, y) ц (x, y) в точке (х 0 , у 0).

Теорема. если функция f (x, y) имеет предел, не равный нулю в точке (х 0 , у 0), т.е.

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

0 < < д, (10)

она удовлетворяет неравенству

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 (x 1 , …, x n ) = A имеет предел в точке

x 0 = , равный числу А , обозначаемый так:

(пишут еще f(x) > A (x > x 0)), если она определена на некоторой окрестности точки x 0 , за исключением, быть может, ее самой, и если существует предел

какова бы ни была стремящаяся к x 0 последовательность точек х k из указанной окрестности (k = 1, 2, ...), отличных от x 0 .

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

для всех х , удовлетворяющих неравенствам

0 < |x - x 0 | < д.

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

Очевидно, что если число А есть предел f(x) в x 0 , то А есть предел функции f(x 0 + h) от h в нулевой точке:

и наоборот.

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

(0 < t < д щ)

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

если он существует, естественно называть пределом f в точке x 0 по направлению вектора щ.

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

Можно говорить о пределе f , когда х > ?:

Например, в случае конечного числа А равенство (14) надо понимать в том смысле, что для всякого е > 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(x 1 , ..., х п ) 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 > М 0 , если для любого числа е > 0 всегда найдется такое число д > 0, что для любых точек М , отличных от М 0 и удовлетворяющих условию | ММ 0 | < д, будет иметь место неравенство | f(M) - А | < е.

Предел обозначают В случае функции двух переменных

Теоремы о пределах. Если функции f 1 (M) и f 2 (M) при М > М 0 стремятся каждая к конечному пределу, то:

Пример 1. Найти предел функции:

Решение. Преобразуем предел следующим образом:

Пусть y = kx , тогда

Пример 2. Найти предел функции:

Решение. Воспользуемся первым замечательным пределом Тогда

Пример 3. Найти предел функции:

Решение. Воспользуемся вторым замечательным пределом Тогда

Предел функции двух переменных.
Понятие и примеры решений

Добро пожаловать на третий урок по теме ФНП , где наконец-то начали сбываться все ваши опасения =) Как многие подозревали, понятие предела распространяется и на функцию произвольного количества аргументов, в чём нам сегодня и предстоит разобраться. Однако есть оптимистичная новость. Она состоит в том, что при предел в известной степени абстрактен и соответствующие задания крайне редко встречаются на практике. В этой связи наше внимание будет сосредоточено на пределах функции двух переменных или, как мы чаще её записываем: .

Многие идеи, принципы и методы схожи с теорией и практикой «обычных» пределов, а значит, на данный момент вы должны уметь находить пределы и самое главное ПОНИМАТЬ, что такое предел функции одной переменной . И, коль скоро судьба привела вас на эту страничку, то, скорее всего, уже немало понимаете-умеете. А если и нет – ничего страшного, все пробелы реально заполнить в считанные часы и даже минуты.

События этого занятия разворачиваются в нашем трёхмерном мире, и поэтому будет просто огромным упущением не принять в них живое участие. Сначала соорудим хорошо известную декартову систему координат в пространстве . Давайте встанем и немного походим по комнате… …пол, по которому вы ходите – это плоскость . Поставим где-нибудь ось … ну, например, в любом углу, чтобы не мешалась на пути. Отлично. Теперь, пожалуйста, посмотрите вверх и представьте, что там зависло расправленное одеяло. Это поверхность , заданная функцией . Наше перемещение по полу, как нетрудно понять, имитирует изменение независимых переменных , и мы можем передвигаться исключительно под одеялом, т.е. в области определения функции двух переменных . Но самое интересное только начинается. Прямо над кончиком вашего носа по одеялу ползает маленький тараканчик, куда вы – туда и он. Назовём его Фредди. Его перемещение имитирует изменение соответствующих значений функции (за исключением тех случаев, когда поверхность либо её фрагменты параллельны плоскости и высота не меняется) . Уважаемый читатель с именем Фредди, не обижайся, так надо для науки.

Возьмём в руки шило и проткнём одеяло в произвольной точке, высоту которой обозначим через , после чего строго под отверстием воткнём инструмент в пол – это будет точка . Теперь начинаем бесконечно близко приближаться к данной точке , причём приближаться мы имеем право ПО ЛЮБОЙ траектории (каждая точка которой, разумеется, входит в область определения) . Если ВО ВСЕХ случаях Фредди будет бесконечно близко подползать к проколу на высоту и ИМЕННО НА ЭТУ ВЫСОТУ, то функция имеет предел в точке при :

Если при указанных условиях проколотая точка расположена на краю одеяла, то предел всё равно будет существовать – важно, чтобы в сколь угодно малой окрестности острия шила были хоть какие-то точки из области определения функции. Кроме того, как и в случае с пределом функции одной переменной , не имеет значения , определена ли функция в точке или нет. То есть наш прокол можно залепить жвачкой (считать, что функция двух переменных непрерывна ) и это не повлияет на ситуацию – вспоминаем, что сама суть предела подразумевает бесконечно близкое приближение , а не «точный заход» в точку.

Однако безоблачная жизнь омрачается тем фактом, что в отличие от своего младшего брата, предел гораздо более часто не существует. Это связано с тем, что к той или иной точке на плоскости обычно существует очень много путей, и каждый из них должен приводить Фредди строго к проколу (опционально «залепленному жвачкой») и строго на высоту . А причудливых поверхностей с не менее причудливыми разрывами хоть отбавляй, что приводит к нарушению этого жёсткого условия в некоторых точках.

Организуем простейший пример – возьмём в руки нож и разрежем одеяло таким образом, чтобы проколотая точка лежала на линии разреза. Заметьте, что предел всё ещё существует, единственное, мы потеряли право ступать в точки под линией разреза, так как этот участок «выпал» из области определения функции . Теперь аккуратно приподнимем левую часть одеяла вдоль оси , а правую его часть, наоборот – сдвинем вниз или даже оставим её на месте. Что изменилось? А принципиально изменилось следующее: если сейчас мы будем подходить к точке слева, то Фредди окажется на бОльшей высоте, чем, если бы мы приближались к данной точке справа. Таким образом, предела не существует.

И, конечно же, замечательные пределы , куда без них. Рассмотрим поучительный во всех смыслах пример:

Пример 11

Используем до боли знакомую тригонометрическую формулу , где и стандартным искусственным приёмом организуем первые замечательные пределы :

Перейдём к полярным координатам:
Если , то

Казалось бы, решение идёт к закономерной развязке и ничто не предвещает неприятностей, однако в самом конце существует большой риск допустить серьёзный недочёт, о характере которого я уже чуть-чуть намекнул в Примере 3 и подробно расписал после Примера 6. Сначала концовка, затем комментарий:

Давайте разберёмся, почему будет плохо записать просто «бесконечность» или «плюс бесконечность». Посмотрим на знаменатель: так как , то полярный радиус стремится к бесконечно малому положительному значению: . Кроме того, . Таким образом, знак знаменателя и всего предела зависит только от косинуса:
, если полярный угол (2-я и 3-я координатные четверти: );
, если полярный угол (1-я и 4-я координатные четверти: ) .

Геометрически это означает, что если приближаться к началу координат слева, то поверхность, заданная функцией , простирается до бесконечности вниз: