Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги / Математика введение в анализ, дифференциальное исчисление функции одной переменной

..pdf
Скачиваний:
0
Добавлен:
12.11.2023
Размер:
5.71 Mб
Скачать

Рис. 1.28

Рис. 1.29

Область значений – отрезок [–1;1], т.е. функция ограниченная.

Функция y = cos x периодическая (T = 2π ).

Функция чётная, т.е. cos(–x) = cos(x) (график симмет-

риченотносительно оси OY).

Замечание

График функции y = cos x (рис. 1.28) называется косину-

соидой.

Функция y = tg x определена на всей числовой оси, за ис-

ключением точек вида π + πk

2

(k – любое целое число). Область значений – все

действительные числа. Функция периодическая (T = π ).

Функция нечётная, т.е. tg(–x) = –tg(x) (график симмет-

ричен относительно начала координат).

Замечание

График функции y = tg x (рис. 1.29) называется танген-

соидой.

Функция y = ctg x определена на всей числовой оси, за исключением точек вида π k (k – любое целое число).

Область значений – все действительные числа. Функция периодическая (T = π ).

31

 

 

 

 

 

 

 

Функция

нечётная,

 

т.е.

 

 

 

 

 

 

 

сtg(–x) = –сtg(x)

(график

сим-

 

 

 

 

 

 

 

метричен относительно начала

 

 

 

 

 

 

 

координат).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Замечание

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

График

функции

y = ctg x

 

 

 

 

 

 

 

(рис. 1.30) называется котан-

 

 

 

 

 

 

 

генсоидой.

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1.30

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sec x =

1

 

 

Замечание

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cos x

 

 

 

 

 

 

 

 

Иногда рассматривают еще

 

 

 

 

(1.21)

две тригонометрические функ-

cosec x =

 

1

 

 

ции – секанс и косеканс, кото-

 

 

 

рые определяются по формулам

 

 

 

 

sin x

 

 

 

(1.21).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

д) Обратные тригономет-

 

 

 

 

 

 

 

 

рические функции:

 

 

 

 

 

 

 

 

y = arcsin x ,

y = arccos x ,

Функция y = arcsin x.

 

 

 

 

 

 

 

(1.22)

 

 

 

y = arctg x ,

 

 

 

Область определения: [–1;1].

y = arcctg x

 

 

 

 

 

 

 

Область значений:

π

;

π

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

2

 

 

 

 

 

 

 

Функция нечётная, т.е.

 

 

 

 

 

 

 

arcsin (–x) = –arcsin x.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

График симметричен отно-

 

 

 

 

 

 

 

сительно

начала координат

 

 

 

 

 

 

 

(рис. 1.31).

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1.31

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

32

Рис. 1.32

Рис. 1.33

Рис. 1.34

Функция y = arccos x.

Область определения: [–1;1]. Область значений: [0; π] .

Функция y = arccos x не является чётной и не является не-

чётной, arccos (–x) = π – arccos x (рис. 1.32).

Функция y = arctg x. Область определения:

(−∞ +∞; ) .

Областьзначений π π

: ; .

2 2

Функция нечётная, т.е.

arctg (–x) = – arctg x.

График симметричен относительно начала координат

(рис. 1.33).

Функция y = arcctg x.

Область определения:

(−∞ +∞; ) .

Область значений: (0; π) .

Функция y = arcctg x не является чётной и не является не-

чётной, arcctg (–x) = π – arcctg x (рис. 1.34).

33

4) Элементарные функции

Функции,

построенные из

 

 

 

 

 

 

 

 

основных элементарных функ-

 

 

 

 

 

 

 

 

ций и постоянных с помощью

 

 

 

 

 

 

 

 

конечного числа арифметиче-

 

 

 

 

 

 

 

 

ских операций (сложение, вы-

 

 

 

 

 

 

 

 

читание, умножение, деление)

 

 

 

 

 

 

 

 

и операций взятия функции от

 

 

 

 

 

 

 

 

функции, называются элемен-

 

 

 

 

 

 

 

 

тарными функциями.

 

2 + 3 x

 

10x 1

 

Формулы (1.23) – примеры

y =

, y =

, (1.23)

элементарных функций.

3

 

 

 

 

x

x2

 

 

 

y = lg (x + 1+ x2 ) ,

 

 

 

y = arctg

1+ sin x

и т.д.

 

 

 

1sin x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y = 1 2 3 n = n!

(1.24)

Читается: n – факториал.

 

 

 

 

 

 

 

 

Формула

(1.24) – пример

 

 

 

 

 

 

 

 

функции, которая не является

 

 

 

 

 

 

 

 

элементарной, так как количе-

 

 

 

 

 

 

 

 

ство операций, которое нужно

 

 

 

 

 

 

 

 

произвести для получения y,

 

 

 

 

 

 

 

 

увеличивается с увеличением n,

 

 

 

 

 

 

 

 

т.е. не является ограниченным.

 

 

 

 

 

 

 

 

Замечание

 

 

 

 

 

 

 

 

О важном значении элемен-

 

 

 

 

 

 

 

 

тарных функций свидетельству-

 

 

 

 

 

 

 

 

ет то, что в математическом ана-

 

 

 

 

 

 

 

 

лизе, применяемом в основных

 

 

 

 

 

 

 

 

задачах физики и техники, упот-

 

 

 

 

 

 

 

 

ребляются чаще всего элемен-

 

 

 

 

 

 

 

 

тарныефункции.

34

Задачи

Задача 1. Для данных функций найти обратные. Построить графики прямой и обратной функций:

а) y = 4 3x ; б) y = 2x+1 .

Решение

а) Поскольку данная функция y = f (x) = 4 3x определена

и убывает на всей числовой оси, то обратная для нее функция существует и также убывает при всех x. Разрешая уравнение

y = 4 3x

относительно x, получим

обратную

функцию

x = φ( y ) =

4 y

. Обозначим ее аргумент через x,

а функцию –

 

 

3

 

 

 

 

4 x

 

через y ,

построим графики функций

y = 4 3x

и

y =

 

 

 

 

 

 

 

3

 

в одной и той же системе координат (рис. 1.35); они симметричны относительно биссектрисы I и III координатных углов.

Рис. 1.35

35

б) Данная функция y = f ( x) = 2x +1 определена и возрастает

при всех x, следовательно, обратная функция существует и возрастает также при всех x. Найдем эту функцию. Логарифмируя

равенство 2x +1 = y по основанию 2, получим x +1 = log2 y , или x = φ( y ) = log2 y 1 . Возвращаясь к общепринятым для аргумента и функции обозначениям и построив графики функций y = 2x +1 и y = log2 x 1, убеждаемся в том, что они симметричны относительно прямой y = x (рис. 1.36).

Рис. 1.36

Задача 2. Сложные функции, заданные цепочкой равенств, записать в виде одного равенства:

а) y = u3, u = 4x – 1;

б) y = 2u, u = sin υ , υ = x .

Решение

а) Исключая из данных равенств промежуточный аргумент u, находим y = (4x 1)3 .

36

б) В данном случае сложная функция y содержит два промежуточных аргумента u и υ . Последовательно исключая их,

получим y = 2sin x ( x ≥ 0) .

Задача3. Показать, что запись y = f (ϕ (x)), где y = f (u) = arcsin u и u = ϕ (x) = x2 + 2, неопределяетсложнойфункции.

Решение

В самом деле, по формуле

y = arcsin (x2 + 2)

не может быть определено ни одно значение y, так как

u = x2 + 2 > 1

и функция y = arcsin u при u > 1 не определена.

Задача 4. Указанные ниже сложные функции записать с помощью промежуточных аргументов:

а) y = (6x 5)7 ; б) y = lg cos x ; в) y = sin 3 x 6 ;

г) y = arcsin3 (1x2 ) .

Решение

а) В данном случае y = (6x 5)7 с одним промежуточным аргументом u :

y = u7, u = 6x – 5.

б) Аналогичным образом находим cos x > 0 , следовательно,

есть сложная функция

y = lg u , u = cos x при

π

+ n < x <

π

+ n, n Z.

 

 

2

 

2

 

 

 

в) В данном

случае рассматривается

сложная функция

с двумя промежуточными аргументами u и υ

:

37

y = sin u, u = 3 υ

, υ = x 6 .

г) Аналогичным образом находим

y = u3,

u = arcsinυ

, υ

= 1x2 .

Поскольку 1

υ

1

, то 1 1x21 .

Следовательно,

 

 

 

0

x2

2 ,

 

 

 

2

x2 .

 

 

 

38

Глава 2. ПРЕДЕЛ. НЕПРЕРЫВНОСТЬ.

Косновным операциям: сложению, вычитанию, умножению

иделению, которые рассматриваются в элементарной математике, в математическом анализе присоединяют еще одну – операцию перехода к пределу, чем, собственно, и определяют, правда, весьма условно, границу между «элементарной» и «высшей» математикой.

С понятием предела мы встречались еще в средней школе, изучая сумму бесконечно убывающей геометрической прогрессии или определяя длину окружности. Но в курсе элементарной математики понятие предела встречается только эпизодически, а в математическом анализе этим понятием пользуются систематически как основным инструментом исследования переменной величины. Более того, все фундаментальные понятия математического анализа – непрерывность функции, производная, интеграл, сумма ряда и др. – основаны на понятии предела переменной величины.

§1. Числовая последовательность

Основные формулы

Определения

ирисунки

 

изамечания

1. Обозначение

числовой

Числовой последователь-

последовательности:

 

ностью называется бесконечное

x1 , x2 , x3 ,..., xn ,... или

множество чисел x1 , x2 , x3 ,...,

xn ,... следующих одно за дру-

{xn}

 

(2.1)

гим в определенном порядке

 

 

и построенных по определен-

 

 

ному закону, с помощью кото-

 

 

рого xn задается как функция

 

 

натурального (или целочислен-

 

 

ного) аргумента.

39

 

 

 

Числа x1 , x2 , x3 ,..., xn ,... на-

 

 

 

зываются

членами последова-

 

 

 

тельности,

xn

– общим или n

 

 

 

членом последовательности.

2.

xn = f (n)

(2.2)

Числовая

последователь-

 

 

 

ность может быть определена

 

 

 

заданием её n-го члена форму-

 

 

 

лой (2.2),

позволяющей найти

 

 

 

любой член

последовательно-

 

 

 

сти простой подстановкой но-

 

 

 

мера искомого члена в эту фор-

 

 

 

мулу (2.2).

 

 

3.

x1 = f (1) , x2 = f (2) ,…,

x1 = f (1)

– первый член по-

 

xn = f (n) ,…–

(2.3)

следовательности,

члены числовой последователь-

x2 = f (2)

– второй член

ности

 

 

последовательности, …

 

 

 

xn = f (n)

n-й член или

 

 

 

общийчлен последовательности.

 

 

 

Замечание

 

 

 

Члены

последовательности

 

 

 

обычно располагаются в поряд-

 

 

 

ке возрастания аргумента.

Поскольку всякая числовая последовательность может рассматриваться как функция натурального аргумента, то на число-

вые последовательности

переносятся

понятия

монотонности

и ограниченности функций.

 

 

 

4. Последовательность {xn}

Последовательность назы-

вается

строго

возрастающей,

строго возрастающая, если

если каждый последующий член

 

 

 

 

 

xn+1 > xn ,

 

 

n

(2.4)

последовательности больше сво-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

его предыдущего.

 

1

2

 

3

 

n

(2.5)

Пример строго возрастаю-

 

 

,

 

,

 

,...,

 

,...

 

2

3

4

n + 1

щей последовательности (2.5).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

40