Определение бесконечно-малых функций и их эквивалентность
Бесконечно малая функция — какие так называют
Бесконечно малой функцией является числовая функция, либо последовательность, стремящаяся к нулевому значению, или предел которой стремится к нулю.
С помощью формул бесконечно малую функцию можно определить, таким образом: функция α(x) носит название бесконечно малой при x→a в том случае, когда limx→aα(x)=0
Можно предположить, что α(x) и β(x) представляют собой бесконечно малые функции при условии, что x→a
Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.
Существует несколько условий для бесконечно малых функций:
- В том случае, когда limx→aα(x)β(x)=0, функцияα(x) представляет собой бесконечно малую высшего порядка, если сравнить ее с функцией β(x)
- При условии, что limx→aα(x)β(x)=A≠0, функции α(x) и β(x) будут определяться, как бесконечно малые с одинаковым порядком малости
- При limx→aα(x)βn(x)=A≠0, можно утверждать, что функция α(x) представляет собой бесконечно малую порядка n по сравнению с функцией β(x)
- В том случае, когда limx→aα(x)β(x)=1, для бесконечно малых функций α(x) и β(x) характерна эквивалентность при условии, что x→a
Операцию по расчету предела отношения из двух бесконечно малых функций можно упростить. Для этого требуется выполнить их замену на эквивалентные выражения.
Формулировка бесконечно малой функции обладает неразрывной связью с условиями, при которых изменяется ее аргумент. Функция будет являться бесконечно малой, если a→a+0 и a→a–0. Как правило, для обозначения бесконечно малых функций используют первые буквы греческого алфавита α,β,γ,….
В качестве примера можно рассмотреть следующее утверждение: функция f(x)=x представляет собой бесконечно малую, если x→0. Данная формулировка корректна, так как предел функции в точке a=0 соответствует нулевому значению. Исходя из теоремы о связи двустороннего предела с односторонними, рассматриваемая функция является бесконечно малой при любом из условий:
- x→+0
- x→−0
К примеру, по классификации функция f(x)=1/x2 является бесконечно малой при условии, что x→∞. Кроме того, данная функция также будет являться бесконечно малой, еслиx→+∞ и при x→−∞.
Можно рассмотреть постоянное число, которое не равно нулю. Какое бы оно ни было маленькое по абсолютному значению, его нельзя назвать бесконечно малой функцией. В случае постоянных чисел исключением является только ноль, так как для функцииf(x)≡0 характерно наличие нулевого предела.
Основными определениями по теме применения бесконечно малых функций являются:
- Функции α(x) и β(x) являются бесконечно малыми, если x→α
- В том случае, когда существует limx→αα(x)β(x)=C≠0,∞,функции α(x) и β(x) являются бесконечно малыми и соответствуют одному и тому же порядку при условии, что x→α
- Когда существует limx→αα(x)β(x)=0, функция α(x) представляет собой величину с более высоким порядком малости по сравнению с функцией β(x) при условии, что x→α
- В том случае, когда ∌limx→αα(x)β(x), невозможно сравнить между собой бесконечно малые функции α(x) и β(x),если x→α
- Сумма пары бесконечно больших функций, если x→α, представляет собой неопределенность
- При умножении бесконечно большой функции и функции, которая в точке α обладает конечным пределом с нулевым значением, в результате получится бесконечно большая функция при условии, что x→α
Данные определения необходимы, чтобы решать задачи с пределами, используя понятие эквивалента.
Теорема, свойства бесконечно малых функций
Функцияf(x) обладает в точке a∈¯R расширенным числовой прямой конечным пределом, который равен числу b, только лишь в том случае, когда рассматриваемая функция соответствует сумме данного числа b и бесконечно малой функции α(x) при условии, что x→a, либо ∃ limx→af(x)=b∈R⇔(f(x)=b+α(x))∧(limx→aα(x)=0).
Свойства бесконечно малых функций:
- α∼α,(limx→a)αα=1
- в том случае, когда α∼β и β∼γ, получается, что α∼γ,(limx→ααγ=limx→α(αβ×βγ)=1×1=1)
- при условии, что α∼β и β∼γ и β∼γ, тогда(limx→αβα=limx→α1αβ=1)
- в том случае, когда α∼α1 и β∼β иlimx→ααβ=κ, получается, что limx→αα1β1=κ или limx→ααβ=limx→αα1β1
Сравнивая между собой бесконечно малые функции, можно сделать следующие выводы:
- в том случае, когда limx→αa(x)β(x) является конечным ненулевым числом, α(x) и β(x) будут определяться, как бесконечно малые функции с одним и тем же порядком;
- при условии, что limx→αa(x)β(x) представляет собой ноль, тогда функцияα(x) по отношению к функции β(x) будет определяться, как бесконечно малая функция с более высоким порядком при x→α, а функция β(x) при сравнении с функцией α(x) является бесконечно малой функцией с меньшим порядком;
- когдаlimx→αa(x)β(x) является бесконечностью, функция β(x) по отношению к функции α(x) представляет собой бесконечно малую функции с более высоким порядком при x→α, а α(x) в сравнении с функцией β(x) определяется, как бесконечно малая функция с меньшим порядком.
Необходимое и достаточное условие эквивалентности бесконечно малых функций
Эквивалентностью называют равнозначность в определенном отношении.
С помощью эквивалентных функций можно упростить решение задач на пределы. Достаточно заменить множители в уравнениях, которые содержат дроби или произведения.
Функции α(x) и β(x) являются эквивалентными в том случае, когда x→α и limx→αα(x)β(x)=1
Такая закономерность справедлива и в случае бесконечно больших, и бесконечно малых функций. Для обозначения эквивалентности используют знак ∼. Таким образом, демонстрируя эквивалентность функций α(x) и β(x), достаточно записать выражение: α(x)∼β(x).
Упростить задачу на эквивалентные бесконечно малые функции можно, используя специальную таблицу.
aα(x)−1∼α(x)ln(a)
Предположим, что α(x),α1(x),β(x),β1(x) являются бесконечно малыми функциями при условии, что x→a,причем α(x)∼α1(x);β(x)∼β1(x). В таком случае:
limx→aα(x)β(x)=limx→aα1(x)β1(x)
Пусть α(x) представляет собой бесконечно малую функцию при x→a, тогда:
- sin(α(x))∼α(x)
- 1−cos(α(x))∼α2(x)2
- tanα(x)∼α(x)
- arcsinα(x)∼α(x)
- arctanα(x)∼α(x)
- ln(1+α(x))∼α(x)
- n√1+α(x)−1∼α(x)n
- aα(x)−1∼α(x)ln(a)
Например, можно разобрать следующее выражение: limx→0lncosx4√1+x2−1=limx→0ln(1+(cosx−1))x24=limx→04(cosx−1)x2=limx→0−4x22x2=−2
С помощью Теоремы 1 можно выполнять замену эквивалентными в произведении и отношении функций. В том случае, когда α1(x),α2(x),β1(x),β2(x) представляют собой бесконечно малые функции, аx→α и α1(x)∼β1(x),α2(x)∼β2(x) при x→α, получается, что:
- α1(x)×α2(x)∼β1(x)×β2(x)
- α1(x)α2(x)∼β1(x)β2(x) при x→α
- limx→αα1(x)α2(x)=limx→αβ1(x)β2(x)
Теорема 2 заключается в том, что эквивалентность бесконечно малых функций α(x) и β(x) справедлива в том случае, когда при x\rightarrow\alpha выполняется любое из представленных равенств:
- α(x)−β(x)=∘(α(x))
- α(x)−β(x)=∘(β(x))
Теорема 3 гласит, что результатом разности пары бесконечно малых функций, которые эквивалентны друг другу, является бесконечно малая функция с более высоким порядком по сравнению с каждой из них. Справедливо и обратное утверждение.
Согласно Теореме 4, сумма конечного числа бесконечно малых функций, обладающих разными порядками, эквивалентна слагаемому низшего порядка.
Теорему 5, которая применима к замене эквивалентных функций в пределах частного, можно записать следующим образом:
в том случае, когда x→x0,α(x)∼α1(x),β(x)∼β1(x), и есть предел limx→x0a1(x)β1(x), то существует и предел limx→x0a(x)β(x)=limx→x0a1(x)β1(x).
Связь между функцией, ее пределом и бесконечно малой функцией
Существуют теоремы, объясняющие связь между функцией, ее пределом и бесконечно малой функцией:
1. В том случае, когда функция y=f(x) обладает пределом, равным a, ее можно записать в виде суммы рассматриваемого числа a и бесконечно малой функции α(x):
limx→bf(x)=a⇒f(x)=a+α(x),limx→bα(x)=0
2. Когда функцию y=f(x) можно записать как сумму числа a и бесконечно малой функции α(x), число a будет соответствовать пределу функции y=f(x):
f(x)=a+α(x),limx rightarrowbα(x)=0⇒limx rightarrowbf(x)=a
В качестве примера можно рассмотреть решение стандартной задачи. По условиям требуется представить доказательство следующего выражения:
limx→1(x+5)=6
При решении функцию \ x+5, которая стоит под знаком предела, следует расписать таким образом:
x+5=6+(x−1)
В этом случае функция α(x)=x−1 представляет собой бесконечно малую функцию при условии, что x→1. Утверждение справедливо, так как:
limx→1α(x)=limx→1(x−1)=0
Таким образом, используя теорему, описывающую связь функции, ее предела и бесконечно малой функции, можно сделать вывод, что:
limx→1(x+5)=6
В результате вычислений выражение, данное в условии, доказано.
Вычисление пределов
Используя представленные выше теоретические положения о бесконечно малых функциях, их свойствах и связи с пределами, можно упростить решение многих задач. Порядок действий при вычислении пределов целесообразно рассмотреть на примерах.
Требуется определить предел: limx→0ln(1+4x)sin3x
Решение:
Найти предел можно с помощью формулы:
ln(1+α)∼α,sinα∼α
В таком случае:
limx→0ln(1+4x)sin3x=limx→04x3x=43
Ответ: 43
Необходимо найти предел:
limx→03√1+x−1x
Решение:
Исходя из того, что:
3√1+x∼1+x3
для записи предела можно использовать следующее выражение:
limx→03√1+x−1x=limx→0(1+x)13−1x=limx→01+x3−1x=13limx→0xx=13.
Ответ: 13
Нужно вычислить предел: limt→01−cos(1−cost)sin2t2
Решение:
Известно, что:
cost∼1−t22иsint∼t при t→0
Таким образом: limt→01−cos(1−cost)sin2t2=limt→01−cos(1−1+t22)(sint2)2=limt→01−cost22(t2)2=limt→01−[1−12(t22)2]t4=limt→0t48t4=18.
Ответ: 18
Требуется определить предел: limx→0√1+2x+3x2−1x
Решение:
Целесообразно выполнить замену квадратного корня эквивалентной бесконечно малой функцией. В результате получится справедливое равенство:
limx→0√1+2x+3x2−1x=limx→01+2x+3x22−1x=12limx→02x+3x2x=12limx→0(2+3x)=12⋅2=1.
Ответ: 1
Необходимо найти предел: limx→eln(lnx)x−e
Решение:
В данном случае целесообразно воспользоваться формулой:
ln(1+α)∼α при α→0.
Таким образом, запись предела можно преобразовать:limx→eln(lnx)x−e=limx→eln(lnx+1−1)x−e=limx→eln[1+(lnx−1)]x−e=limx→elnx−1x−e=limx→elnx−lnex−e=limx→elnxex−e=limx→eln[1+(xe−1)]x−e=limx→exe−1x−e=limx→ex−eex−e=1elimx→ex−ex−e=1e.
Ответ:1e
Дан предел, который нужно найти: limx→π1+cosx(x−π)2
Решение:
В первую очередь следует заменить переменную:
x−π=y
В данном случае:
y→0 при условии, чтоx→π
Таким образом, предел можно соотнести с выражением:
L=limx→π1+cosx(x−π)2=limy→01+cos(y+π)y2
Используя уравнение приведения: cos(y+π)=−cosy
получим, что:
L=limy→01−cosyy2
По итогам расчетов целесообразно заменить косинус на эквивалентное бесконечно малое выражение:
1−cosy∼y22
Далее можно рассчитать предел:
L=limy→01−cosyy2=limy→0y22y2=12
Ответ: 12
Необходимо найти предел: limx→2log2x−1x−2
Решение:
В данном случае целесообразно воспользоваться эквивалентным бесконечно малым выражением для логарифма:
ln(1+α)∼α при α→0
Врезультате:limx→2log2x−1x−2=limx→2log2x−log22x−2=limx→2log2x2x−2=limx→2ln(x/2)ln2x−2=1ln2limx→2ln(x/2)x−2=1ln2limx→2ln[1+(x2−1)]x−2=1ln2limx→2x2−1x−2=12ln2limx→2 cancelx−2 cancelx−2=12ln2.
Ответ: 12ln2
Требуется вычислить предел:
limx→1sin(x−1)x4−1
Решение:
Предположим, что
x−1=t
В таком случае:
t→0 при x→1.
Для вычисления предела можно использовать справедливое равенство:
L=limx→1sin(x−1)x4−1=limt→0sint(t+1)4−1
С помощью алгебраического тождества приведем уравнение:
(t+1)4=t4+4t3+6t2+4t+1
Далее остается лишь вычислить предел:
L=limt→0sint(t+1)4−1=limt→0sint(t4+4t3+6t2+4t+1)−1=[sint∼t]=limt→0 cancelt cancelt(t3+4t2+6t+4)=limt→01t3+4t2+6t+4=14.
Ответ: 14
По условию задачи дан предел, который необходимо найти:
limx→0lncosx3√1+x2−1
Решение:
С помощью эквивалентных выражений для бесконечно малых функций можно записать справедливое равенство:
k√1+α∼1+αk,ln(1+α)∼αприα→0.
Далее требуется записать предел в таком виде:
L=limx→0lncosx3√1+x2−1=limx→0ln[1+(cosx−1)](1+x23)−1=limx→0cosx−1x2/3=−3limx→01−cosxx2.
Затем следует выполнить замену:
1−cosx∼x22
В итоге можно вычислить предел:
L=−3limx→01−cosxx2=−3limx→0x2/2x2=−32limx→0 cancelx2 cancelx2=−32.
Ответ: −32
Необходимо вычислить предел: limt→a(sintsina)1t−a
Необходимо вычислить предел:
Решение:
В первую очередь следует выполнить замещение переменной:
t−a=y,⇒y→0 при t→a
После замены можно записать предел через новую переменную, таким образом:
L=limt→a(sintsina)1t−a=limy→0(sin(y+a)sina)1y=limy→0(sinycosa+cosysinasina)1y=limy→0(cosy+sinycota)1y.
При замене функций косинуса и синуса на их эквивалентные бесконечно малые выражения, согласно формулам:
cosy∼1−y22,siny∼y
Значение предела можно записать в таком виде:
L=limy→0(cosy+sinycota)1y=limy→0(1−y22+ycota)1y.
Следует ограничиться использованием бесконечно малых первого порядка малости и пренебречь бесконечно малыми второго порядка:
y22
Окончательный ответ будет записан, таким образом:
L=limy→0(1−y22+ycota)1y=limy→0(1+ycota)1y=limy→0(1+ycota)cotaycota=[limycota→0(1+ycota)1ycota]cota=ecota.
Ответ:ecota
Примеры задач на бесконечно малые функции
Требуется вычислить предел: limx→0ln(1+4x)sin(3x)
Решение:
В данном случае целесообразно использовать таблицу с эквивалентными функциями. Согласно представленным в ней данным:
ln(1+α)∼α,sin(α)∼α
Таким образом:
limx→0ln(1+4x)sin(3x)=limx→04x3x=43
Ответ: 43
Необходимо найти предел: limx→03√1+x−1x
Решение:
Применяя данные из таблицы с эквивалентными функциями, получим:
3√1+x∼1+x3
Таким образом:
limx→03√1+x−1x=limx→0(1+x)13−1x=limx→01+x3−1x=13limx→0xx=13
Ответ: 13
По условиям задачи дан предел, который нужно найти: limx→π1+cos(x)(x−π)2
Решение:
В данном случае целесообразно заменить переменную:
(x−π)=y
где y→0, в том случае, когда x→π
Далее необходимо преобразовать выражение, записав его следующим образом:
L=limx→π1+cos(x)(x−π)2=limy→01+cos(y+π)y2
С помощью уравнения приведения, получим:
cos(y+π)=−cos(y)
По итогам вычислений выражение примет такой вид:
L=limy→01−cos(y)y2
Исходя из данных таблицы эквивалентных функций:
1−cos(y)∼y22
В результате получим:
L=limy→01−cos(y)y2=limy→0y22y2=12
Ответ: 12
Заметили ошибку?
Выделите текст и нажмите одновременно клавиши «Ctrl» и «Enter»
Нашли ошибку?
Текст с ошибкой:
Расскажите, что не так