Эквивалентные функции при x стремящемся к 0

Эквивалентные функции при x стремящемся к 0

Метод решения

Применение эквивалентных функций позволяет упростить вычисление пределов. Если нам нужно вычислить предел дроби, то мы можем заменить множители в числителе и знаменателе эквивалентными функциями и вычислять предел от более простого выражения. Подчеркнем, что речь идет именно о множителях в дробях и произведениях. Замена эквивалентными функциями в других выражениях, например в суммах, может привести к неправильному результату. Однако, ошибки не будет, если выразить любую функцию в виде суммы эквивалентной ей функции и о малого (см. пример ⇓).

Все связанные с этим определения и теоремы приводятся на странице «О большое и о малое. Сравнение функций». Напомним некоторые из них.

Применяемые определения и теоремы

Определение эквивалентных функций
Функции f и g называются эквивалентными (асимптотически равными) при :
при ,
если на некоторой проколотой окрестности точки ,
при , причем
.

Если при , то ;
если , то .
При этом функцию называют главной частью при . См. теорему о связи эквивалентных функций с о малым

Теорема о замене функций эквивалентными в пределе частного
Если, при , и и существует предел
, то существует и предел
.
Доказательство

Отметим часто применяемое следствие этой теоремы. Пусть мы имеем частное, составленное из конечного произведения функций: . Тогда, при вычислении предела, эти функции можно заменить на эквивалентные:
,
где . Знак равенства означает, что если существует один из этих пределов, то существует и равный ему второй. Если не существует один из пределов, то не существует и второй. Разумеется, можно менять не все функции а только одну или некоторые из них.

Таблица эквивалентных функций

Далее приводится таблица функций, эквивалентных при . Здесь t может быть как переменной, так и бесконечно малой функцией при : ; .

Эквивалентность при Равенство при

Предостережение

Как указывалось в самом начале, производить замену функций эквивалентными можно только в множителях дробей и произведений, предел которых мы хотим найти. В других выражениях, например в суммах, делать такую замену нельзя.

В качестве примера рассмотрим следующий предел:
.
При . Но если заменить в числителе на x , то получим ошибку:
.
Ошибки не будет, если выразить синус через эквивалентную функцию и о малое, :
.
Поскольку и , то мы снова получили неопределенность 0/0 . Это указывает на то, что для вычисления этого предела применение эквивалентной функции не достаточно. Нужно применить другой метод.

Примеры

Все примеры Далее мы приводим подробные решения следующих пределов, упрощая вычисления с помощью эквивалентных функций.
⇓, ⇓, ⇓, ⇓.

Пример 1

Из таблицы эквивалентных функций ⇑ имеем:
. Поскольку исходная функция является дробью и каждая из этих функций входит в нее в виде множителя в числителе или знаменателе, то заменим их на эквивалентные.
.

Читайте также:  Как настроить шагомер xiaomi mi band 3

Пример 2

Из таблицы эквивалентных функций ⇑ находим:
.
Преобразуем квадрат логарифма:
.
Поскольку исходная функция является дробью и каждая из этих функций входит в нее в виде множителя в числителе или знаменателе, то заменим их на эквивалентные.
.

Пример 3

Здесь мы имеем неопределенность вида один в степени бесконечность. Приводим ее к неопределенности вида 0/0 . Для этого воспользуемся тем, что экспонента и натуральный логарифм являются взаимно обратными функциями.
.
Теперь в показателе экспоненты у нас неопределенность вида 0/0 .

Вычисляем предел:
.
Поскольку у нас дробь, то заменим некоторые множители в числителе и знаменателе эквивалентными функциями, пользуясь приведенной выше таблицей ⇑.
;
;

.

Поскольку экспонента непрерывна для всех значений аргумента, то по теореме о пределе непрерывной функции от функции имеем:
.

Пример 4

При . Выясним, к чему стремится . Поскольку здесь дробь, то заменим логарифм эквивалентной функцией: . Тогда
. Таким образом, мы имеем неопределенность вида ∞–∞ .

Преобразуем ее к неопределенности вида 0/0 . Для этого приводим дроби к общему знаменателю.
.
Здесь мы также воспользовались формулой . После преобразований, наш предел принимает следующий вид:
.

В знаменателе мы сразу можем заменить натуральный логарифм эквивалентной функцией, как это сделали выше:
.

В числителе имеется произведение двух множителей, каждый из которых тоже можно заменить эквивалентной функцией и, таким образом, упростить вычисления. В качестве эквивалентных, попробуем найти степенные функции:
.
Тогда . Считаем, что . Раскрываем неопределенность по правилу Лопиталя.
.
Если положить , то . Тогда
.
Тот же результат можно получить, применяя разложение в ряд Тейлора при :
.
Отсюда .

Найдем эквивалентную функцию для второго множителя, используя разложение в ряд Тейлора при :
.
Отсюда .

Теперь заменим множители эквивалентными функциями:
.

Примечание. Заметим, что делать замену функций на эквивалентные можно, только если функция, от которой ищется предел, является дробью или произведением. Тогда часть множителей в числителе или знаменателе можно заменить эквивалентными функциями. Так, если бы мы с самого начала заменили ln (1+x) на x, то получили бы ошибку.

Использованная литература:
Л.Д. Кудрявцев, А.Д. Кутасов, В.И. Чехлов, М.И. Шабунин. Сборник задач по математическому анализу. Том 1. Москва, 2003.

Автор: Олег Одинцов . Опубликовано: 10-05-2019

18. ЭКВИВАЛЕНТНЫЕ БЕСКОНЕЧНО МАЛЫЕ ФУНКЦИИ

18.1. Сравнение бесконечно малых функций

Как известно, сумма, разность и произведение двух б.м.ф. есть функция бесконечно малая. Отношение же двух б.м.ф. может вести себя различным образом: быть конечным числом, быть бесконечно большой функцией, бесконечно малой или вообще не стремиться ни к какому пределу.

Две б.м.ф. сравниваются между собой с помощью их отношения.

Пусть α=α(х) и ß=ß(х) есть б.м.ф. при х→хо, т. е.

и

1. Если =А ¹ 0 (АєR), то α и ß называются бесконечно малыми одного порядка.

Читайте также:  Как перевести градусы в километры

2. Если, =0, то α називатся бесконечно малой более высокого порядка , чем ß.

3. Если =∞, то α называется бесконечно малой более низкого порядка, чем ß.

4. Если не существует, то α и ß называются несравнимыми бесконечно малыми.

Отметим, что таковы же правила сравнения б.м.ф. при х →±∞, х →х±0.

2 и ß=14х 2 при х→0 Решение: При х→0 это б.м.ф. одного порядка, так как

Говорят, что б.м.ф. а и ß одного порядка стремятся к нулю с примерно одинаковой скоростью

4 и ß=7х б.м.ф. одного порядка при х→0?

Решение: При х→0 функция α есть б.м.ф. более высокого порядка, чем ß, так как

В этом случае б.м.ф. α стремится к нулю быстрее, чем ß.

Решение: Так как

то α есть б.м.ф. более низкого порядка, чем ß.

Решение: Функции и ß=х при х→0 являются несравнимыми б.м.ф., так как предел

18.2. Эквивалентные бесконечно малые и основные теоремы о них

Среди бесконечно малых функций одного порядка особую роль играют так называемые эквивалентные бесконечно малые.

Если то α и ß называются эквивалентными бесконечно малыми (при х→x); это обозначается так: α

х при х→0, т.к при x→0, т. к.

Теорема 18.1 . Предел отношения двух бесконечно малых функций не изменится, если каждую или одну из них заменить эквивалентной ей бесконечно малой.

Теорема 18.2 . Разность двух эквивалентных бесконечно малых функций есть бесконечно малая более высокого порядка, чем каждая из них.

Справедливо и обратное утверждение: если разность б.м.ф. α и ß есть бесконечно малая высшего порядка, чем α или ß, то α и ß — эквивалентные бесконечно малые.

Действительно, так как

т. е. Отсюда т. е. α

ß. Аналогично, если то α

Теорема 18.3 . Сумма конечного числа бесконечно малых функций разных порядков эквивалентна слагаемому низшего порядка.

Докажем теорему для двух функций. Пусть α→0, ß→0 при х→хо, причем α — б.м.ф. высшего порядка, чем ß, т. е. . Тогда

Слагаемое, эквивалентное сумме бесконечно малых, называется главной частью этой суммы.

Замена суммы б.м.ф. ее главной частью называется отбрасыванием бесконечно малых высшего порядка.

18.3. Применение эквивалентных бесконечно малых функций

Для раскрытия неопределённостей вида 0/0 часто бывают полезным применять принцип замены бесконечно малых эквивалентными и другие свойства эквивалентных бесконечно малых функций. Как известно, sinx

х при х→0. Приведем еще примеры эквивалентных б.м.ф.

Решение:

Решение: Обозначим arcsinх=t. Тогда х=sint и t→0 при х->0.

Следовательно, arcsin х

Ниже приведены важнейшие эквивалентности, которые используются при вычислении пределов:

х при х→0;
tgx

Читайте также:  График функции sin arcsin x

х (х→0);
arcsinх

x 2 /2 (х→0);
е х -1

х*ln(a) (х→0);
ln(1+х)

Решение: Так как tg2x

3х при х→0, то

Решение: Обозначим 1/х=t, из х→∞ следует t→0. Поэтому

Решение: Так как arcsin(x-1)

(х-1) при х→1, то

18.4 Приближенные вычисления

ß, то, отбрасывая в равенстве α=ß+(α-ß) бесконечно малую более высокого порядка, т. е. α ® ß, получим приближенное равенство α≈ß.

Оно позволяет выражать одни бесконечно малые через другие. Приведенные выше важнейшие эквивалентности служат источником ряда приближенных формул.

Приведенные формулы справедливы при малых х, и они тем точнее, чем меньше х.

Например, графики функций y=tgx и y=x в окрестности точки 0 практически не различимы (см. рис. 114), а кривая у=sinx в окрестности точки 0 сливается с прямой у=х (рис. 115). На рисунках 116-118 проиллюстрированы некоторые из важнейших эквивалентностей, о которых говорилось выше.

Решение: In(1,032)=ln(1+0,032)≈0,032 Для сравнения результата по таблице логарифмов находим, что In 1,032=0,031498.

Бесконечно большая функция (б.б.ф)

Функция y = f (x) называется бесконечно большой при х→ х, если для любого числа М > 0 существует число δ = δ (М) > 0, что для всех х, удовлетворяющих неравенству 0 М. Записывают = ∞ или f (x) → ∞ при х → х.

Если f(х) стремится к бесконечности при х → х и принимает лишь положительные значения, то пишут = + ∞; если лишь отрицательные значения, то = — ∞.

Бесконечно малая функция (б.м.ф.)

Функция у = f(x) называется бесконечно малой при х→ х, если . По определению предела функции равенство означает: для любого числа ɛ > 0 найдется число δ > 0 такое, что для всех х, удовлетворяющих неравенству 0

Применение эквивалентных функций для вычисления пределов

Для раскрытия неопределенностей вида часто бывают полезным применять принцип замены бесконечно малых эквивалентными и другие свойства эквивалентных бесконечно малых функций. Как известно, sin x

х при х → 0, tg х

важнейшие эквивалентности, которые используют для вычисления пределов:

(х → 0);

6) — 1

7) — 1

9)

х * (х → 0);

в частности, — 1

.

40ВОПРОС Непрерывность функции в точке и на отрезке. Свойства функций, непрерывных в точке.

Функция f(x), определенная в окрестности некоторой точки х, называется непрерывной в точкех, если предел функции и ее значение в этой точке равны, т.е.

Тот же факт можно записать иначе:

Определение. Если функция f(x) определена в некоторой окрестности точки х, но не является непрерывной в самой точке х, то она называется разрывной функцией, а точка х – точкой разрыва.

Функция f(x) называется непрерывной на интервале (отрезке), если она непрерывна в любой точке интервала (отрезка).

Ссылка на основную публикацию
Шаблоны букв английского алфавита для вырезания
Трафареты и шаблоны букв английского алфавита для вырезания из бумаги, это разнообразные шрифты разного стиля и тематики. Трафареты помогут вам...
Что значит спящий режим компьютера
В операционной системе Windows есть несколько режимов выключения компьютера – это обыкновенный режим, (который полностью выключает PC), режим гибернации и...
Что значит сторнировать документ
Сто́рно (итал. storno — перевод на другой счёт, отвод; от stornare — поворачивать обратно) — в общем смысле возврат к...
Шаблоны для брошюры в ворде
Автор: admin Дата записи Быстрей всего набросать буклет, если под рукой окажется готовый шаблон. Проще всего создать буклет в программе...
Adblock detector