Вычисление пределов функций.
Первый и второй замечательные пределы
1. Цель работы
Приобретение умений вычислять пределы функций, имеющие неопределенности вида , , (¥ – ¥), включая первый и второй замечательные пределы, в том числе и средствами программы MathCAD.
2. Содержание работы
1) Вычислите пределы функций (табл. 1). Решение оформите в тетради.
2) Вычислите пределы функций (табл. 2), используя первый и второй замечательные пределы. Решение оформите в тетради и сдайте на проверку.
3) Используя программу MathCAD, вычислите пределы функций (табл. 3). Выполненное задание отчитайте преподавателю.
3. Общие сведения и примеры выполнения заданий
Постоянное число a называется пределом переменной x, если для любого сколь угодно малого числа d>0 можно указать такое значение х, что все последующие значения будут удовлетворять неравенству | x – a | < d. Обозначение: lim x = a или x ® a. (1)
Неравенство | x – a | < d перепишем в виде –d < x – a < d или a – d < x < a + d. Интервал (a – d; a + d) называется окрестностью точки x = a радиуса d.
|
|
Постоянное число l называется пределом функции y = f (x) при x ® a, если для всех значений х, достаточно близких к а, значение f (x) сколь угодно мало отличается от l. Обозначение: или . (2)
Определение включает случаи, когда числа а и l будут заменены символами «¥», «–¥», «+¥».
В определении не требуется, чтобы функция y = f (x) была определена в самой точке x = a.
Если существует предел (2) и x < a, то его называют пределом слева и обозначают . (3) Аналогично, если существует предел (2) и x > a, то его называют пределом справа и обозначают . (4)
Пределы (3) и (4) называются односторонними пределами.
Если a = 0, то вместо x ® 0–0 и x ® 0+0 пишут соответственно x ® –0 и x ® +0.
Связь односторонних пределов с пределом (2) выражается следующей теоремой: для того, чтобы существовал предел (2) необходимо и достаточно, чтобы выполнялось f (a –0) = f (a +0).
Пусть функция y = f (x) определена в некоторой окрестности точки x = х 0, кроме, быть может, самой точки х 0. Функция y = f (x) называется бесконечно малой при x ® х 0, если и называется бесконечно большой при x ® х 0, если .
Здесь и в дальнейшем под символом х 0 подразумевается либо точка а либо ¥. Аналогично определяются бесконечно малые и бесконечно большие функции в случае односторонних пределов.
Если a(x) – бесконечно малая функция при x ® х 0 и a(x) ¹ 0 при x ¹ х 0, то обратная величина есть бесконечно большая функция при x ® х 0. И наоборот, если a(x) – бесконечно большая, то – бесконечно малая функция.
При решении задач удобно пользоваться следующей символической записью. Пусть число a > 0, тогда , , , , , .
Основные теоремы и следствия о пределах функций.
|
|
1. , где C – const.
2. .
3. .
4. .
5. , где C – const.
6. , где n – натуральное число.
7. , где Pn (x), Qm (x) – многочлены степени n и m соответственно и Qm (x 0)¹0.
Пример 1. Вычислите .
Решение. Найдем значение функции , стоящей в числителе, в точке х 0 = –1: . Найдем значение функции , стоящей в знаменателе, в точке х 0 = –1: . Так как полученные значения конечны и отличны от нуля, то предел согласно утверждению 7 равен значению частного в предельной точке, т. е. .
Ответ: 1,5.
8. Если существуют предел и функция , где n – натуральное число, то .
9. Если существуют пределы и , то .
10. Пусть находится предел сложной функции y = f (j(x)) при x ® x 0. Тогда если существует и существует , то справедлива формула – правило замены переменной при нахождении предела сложной функции.
11. Если и , то утверждение 4 применить нельзя и частное при x ® x 0 называется неопределенностью вида .
Пример 2. Вычислите .
Решение. Подставим предельное значение х 0 = 3 в числитель и знаменатель дроби. Так как числитель и знаменатель оба равны нулю, то заданное отношение в точке является неопределенностью вида .
Для нахождения предела в этом случае:
1) Найдем корни уравнений 2 x 2 – 5 x – 3 = 0 и 3 x 2 – 4 x – 15 = 0.
ax 2 + bx + c = 0 D = b 2 – 4 ac, , |
2) Разложим квадратные трехчлены на линейные множители.
, | ax 2 + bx + c = a (x – x 1)(x – x 2) |
3) Сократим дробь на общий множитель и найдем предел оставшегося выражения по утверждению 7:
.
Ответ: 0,5.
Пример 3. Вычислите .
Решение. Значение числителя и знаменателя в точке х 0 = 2 равно нулю, следовательно, опять имеем неопределенность вида .
Для нахождения предела в этом случае:
1) В числителе и в знаменателе выделим множитель х – 2, создающий неопределенность. С этой целью умножим числитель и знаменатель на выражение сопряженное знаменателю и используем формулу сокращенного умножения (a – b)(a + b) = a 2 – b 2:
.
2) Сократим дробь на множитель х – 2, получим:
.
3) Вычисляя предел при х 0 = 2, окончательно получим: .
Ответ: .
12. Если и , то утверждение 4 применить нельзя и частное называется неопределенностью вида .
Пример 4. Вычислите:
а) , б) , в) .
Решение. а) При х ® ¥ числитель и знаменатель стремятся к ¥, т. е. заданное отношение является неопределенностью вида .
Для нахождения предела в этом случае:
1) В числителе и знаменателе вынесем за скобки старшую степень переменной х всей дроби (это х 3):
и .
После сокращения дроби на х 3 применим утверждения 4, 2, 1, а также равенство и получим:
.
б) При х ® ¥ заданное отношение так же является неопределенностью вида . Повторим рассуждения, проделанные в пункте а). Выносим за скобки в числителе и знаменателе старшую степень переменной х всей дроби (это х 2), сокращаем дробь на х 2 и получаем:
.
в) Проводим аналогичные рассуждения:
.
Ответ: а) 0,5, б) ∞, в) 0.
13. Если и , то утверждение 2 применить нельзя и разность f 1(x) – f 2(x) называется неопределенностью вида (¥ – ¥) при x ® x 0
Пример 5. Вычислите .
Решение. Подстановкой предельного значения х 0 = 2 в выражение, стоящее под знаком предела, убеждаемся, что существует неопределенность вида (¥ – ¥).
Для нахождения предела в этом случае нужно разность записать в виде дроби, приведя к общему знаменателю, и упростить.
.
Ответ: 0,25.
Пример 6. Вычислите .
Решение. Опять имеем неопределенность вида (¥ – ¥).
Для вычисления предела снова нужно разность записать в виде дроби. С этой целью умножим числитель и знаменатель на выражение сопряженное к числителю и используем формулу сокращенного умножения (a – b)(a + b)= a 2 – b 2.
.
Теперь мы получили неопределенность вида и нужно поступить аналогично примеру 4:
.
Ответ: –2,5.
14. Если и , то утверждением 3 пользоваться нельзя и произведение f 1(x)× f 2(x) при x ® x 0 называется неопределенностью вида (0×¥).
|
|
Нахождение пределов для случаев 11-14 называется раскрытием неопределенности указанного вида.
Первый замечательный предел
Предел отношения синуса бесконечно малого угла к величине этого угла, выраженного в радианах, равен единице, т. е. и называется первым замечательным пределом. Он используется для раскрытия неопределенностей вида и (0×¥), содержащих тригонометрические и обратные тригонометрические функции.
Пример 7. Вычислите .
Решение. Заданное отношение в точке х 0 = 0 представляет неопределенность вида . Вычислим этот предел, используя формулу первого замечательного предела, формулы тригонометрии и утверждения 3, 5, 10. С этой целью преобразуем выражение под знаком предела следующим образом:
.
Ответ: 0,5.
Пример 8. Вычислите .
Решение. Выражение, стоящее под знаком предела, представляет собой неопределенность вида (0×¥) в точке х 0 = 0. Для решения воспользуемся формулой первого замечательного предела, формулами тригонометрии и утверждениями 3, 5, 10, 4 и 1. Преобразуем выражение под знаком предела следующим образом:
.
Ответ: .
Второй замечательный предел
Вторым замечательным пределом называется предел вида . Он служит для раскрытия неопределенности вида (1¥).
Число е является бесконечной, непериодической дробью, приближенное значение которого равно е»2,718281828459045…»2,72.
С помощью замены переменной по формулам , , t ® 0 при х ® ¥ второй замечательный предел можно представить в виде .
Пример 9. Вычислите .
Решение. Воспользуемся вторым замечательным пределом, свойствами степеней и утверждениями 9, 10. С этой целью преобразуем выражение под знаком предела следующим образом:
.
Указание:
.
Ответ: .
Пример 10. Вычислите предел .
Решение. Воспользуемся следствием из формулы второго замечательного предела , а также свойствами степеней и правилами 6, 10:
.
Ответ: е 5.
***
Настройка окон программы MathCAD для вычисления пределов функций:
· На главной панели инструментов Math нажмите на кнопки и (если главной панели инструментов на экране нет, то V iew ® Toolbars ® M ath). Первая кнопка открывает панель Calculator, а вторая – панель Calculus.
|
|
Для вычисления предела функции:
· Выберите нужную кнопку , или на панели Calculus. Первая кнопка используется для вычисления двустороннего предела, вторая – для предела справа, третья – для предела слева.
· В появившемся шаблоне заполните все поля, используя, если нужно, панель Calculator.
· Введите знак «®», набранный с клавиатуры с помощью комбинации клавиш Ctrl+«×» и щелкните на свободном поле.
4. Индивидуальные задания
Таблица 1
№ вар. | А) | Б) | В) |
Продолжение табл. 1
№ вар. | А) | Б) | В) |
Таблица 2
№ вар. | А) | Б) |
Продолжение табл. 2
№ вар. | А) | Б) |
Таблица 3
№ вар. | Задание | № вар. | Задание |