قضایای اساسی حد

آخرین ویرایش: 30 شهریور 1400
دسته‌بندی: حد و همسایگی
امتیاز:

قضیه

اگر تابع f در نقطه x=a دارای حد باشد ، حتما حد چپ و راست آن تابع در a با هم برابر است و برعکس.

if  limx→afx=L⇔limx→a+fx=limx→a−fx=L

اثبات

فرض کنیم که if  limx→afx=L باشد، ثابت می‌کنیم حد چپ و راست تابع با هم برابر است: 

limx→afx=L∀β>0      ∃α>0     ;      0<x−a<α⇒fx−L<β

if   x→a+∀β>0     ∃α>0       ;       a<x<a+α⇒fx−L<β⇒limx→a+fx=L

if  x→a−∀β>0      ∃α>0    ;    a−α<x<a  ⇒fx−L<β⇒limx→a−fx=L


limx→a+fx=limx→a−fx=L


فرض کنیم که حد چپ و راست تابع باهم برابر باشد، ثابت می‌کنیم if  limx→afx=L :

limx→a+fx=L∀β>0      ∃α1>0      ;    a<x<a+α1⇒0<x−a<α1⇒fx−L<β

limx→a−fx=L∀β>0     ∃α2>0      ;    a−α2<x<a⇒−α2<x−a<0⇒fx−L<β

0<x−a<α1⇒fx−L<β−α2<x−a<0⇒fx−L<β−minα1,α2⏟α<x−a<minα1,α2⏟α⇒−α<x−a<α

∀β>0      ∃α>0     ;    −α<x−a<α⇒0<x−a<α⇒fx−L<β⇒limx→afx=L

قضیه

اگر تابع f در نقطه x=a حد داشته باشد، این حد منحصر به فرد خواهد بود، به عبارت دیگر داریم:

if limx→afx=Llimx→afx=L'L=L'

اثبات

فرض کنیم L≠L' باشد:

if    limx→afx=L∀β>0       ∃α1>0     ;     0<x−a<α1⇒fx−L<β    ;    Ιif  limx→afx=L'∀β>0     ∃α2>0     ;     0<x−a<α2⇒fx−L'<β    ;    ΙΙ 


با فرض این‌که α=minα1,α2 از رابطه ΙΙ ,Ι داریم: 

if   0<x−a<α⇒fx−L<βfx−L'<β

fx−L+fx−L'<β+β⇒fx−L+fx−L'<L−L'4+L−L'4    ;    if  β=L−L'4⇒fx−L+fx−L'<L−L'2    ;    ΙΙΙ⇒L−L'<L−L'2


نامساوی فوق برقرار نیست یعنی فرض L≠L' غلط است و همواره L=L' است.  

 ΙΙΙ   :   L−L'=L−fx+fx−L'≤L−fx+fx−L'⇒L−L'≤fx−L+fx−L'

قضیه

اگر limx→afx=L1limx→agx=L2 باشد، آنگاه: 

limx→afx+gx=L1+L2

اثبات

بر اساس حکم می‌خواهیم ثابت کنیم:

∀β>0   ∃α>0  ;   0<x−a<α⇒fx+gx−L1+L2<β


بنا به فرض داریم:

limx→afx=L1∀β2>0      ∃α1>0    ;    0<x−a<α1⇒fx−L1<β2    ;    Ιlimx→agx=L2∀β2>0     ∃α2>0    ;    0<x−a<α2⇒gx−L2<β2    ;    ΙΙ


با فرض این‌که α=minα1,α2 از رابطه ΙΙ ,Ι داریم: 

if  0<x−a<α⇒fx−L1<β2gx−L2<β2

fx−L1+gx−L2<β2+β2⇒fx−L1+gx−L2<β    ;    if   a+b≥a+b⇒fx+gx−L1−L2<β⇒fx+gx−L1+L2<β⇒limx→afx+gx=L1+L2

قضیه

اگر تابع fx در هر نقطه ای حد داشته باشد و این حد متناهی باشد، fx محدود است. 

fx را محدود گوئیم هرگاه عددی مانند N وجود داشته باشد به‌طوری‌که fx<N است. 

اثبات

فرض کنیم a نقطه دلخواهی از fx باشد و limx→afx=L: 

∀β>0    ∃α>0     ;    0< x−a<α⇒fx−L<β       ;      if     a−b≤a−b⇒fx−L<β⇒fx<β+L      ;     if  N=  β+L⇒fx<N

قضیه

اگر limx→afx=L1limx→agx=L2 باشد، آنگاه: 

limx→afx-gx=L1-L2

اثبات

بر اساس حکم می‌خواهیم ثابت کنیم:

∀β>0     ∃α>0    ;    0<x−a<α⇒fx−gx−L1−L2<β

بنا به فرض:

limx→afx=L1∀β2>0      ∃α1>0    ;    0<x−a<α1⇒fx−L1<β2    ;    Ιlimx→agx=L2∀β2>0     ∃α2>0    ;    0<x−a<α2⇒gx−L2<β2    ;    ΙΙ


با فرض این‌که α=minα1,α2 از رابطه ΙΙ ,Ι داریم:

if  0<x−a<α⇒fx−L1<β2gx−L2<β2

fx−L1+gx−L2<β2+β2⇒fx−L1−gx−L2<β    ;    if   a+ b≥a−b⇒fx−gx−L1−L2<β⇒limx→afx−gx=L1−L2

قضیه

اگر limx→afx=L و λ≠0 مقدار ثابت باشد، آنگاه:   

limx→aλfx=λlimx→afx=λL

اثبات

limx→afx=L∀β1>0   ∃α>0  ;  0<x−a<α⇒fx−L<β1      ;    if  β1=βλ⇒fx−L<βλ⇒λfx−L<β⇒λfx−λL<β⇒limx→aλfx=λL

قضیه

شرط لازم و کافی برای آن‌که limx→afx=L باشد، آن است که در تابع fx=L+εx داشته باشیم:

limx→aεx=0

اثبات

limx→afx=L∀β>0    ∃α>0     ;     0<x−a<α⇒fx−L<β    ;    if  fx=L+εx⇒L+εx−L<β⇒εx−0<β⇒limx→aεx=0


از این قضیه نتیجه می‌شود که هرگاه limx→afx=L∈R در این‌صورت می‌توان در یک همسایگی a مقدار تابع را با حد تابع برابر اختیار کرد.


یعنی به طور تقریب fx را با L برابر گرفت، در این‌صورت چنین می‌نویسیم:

fx≃L

قضیه

اگر limx→afx=∞limx→agx=b باشد، آنگاه: 

limx→afx+gx=∞

اثبات

بر اساس حکم می‌خواهیم ثابت کنیم:

∀N>0   ∃α>0    ;     0<x−a<α⇒fx+gx>N

بنا به فرض:

limx→afx=∞∀N1>0    ∃α1>0    ;    0<x−a<α1⇒fx>N1    ;    Ι if  limx→agx=b∀β>0   ∃α2>0    ;    0<x−a<α2⇒gx−b<β ⇒gx−b<β⇒gx<β+b⇒−gx>−β+b    ;    ΙΙ


با فرض این‌که α=minα1,α2 از رابطه ΙΙ ,Ι داریم:

if  0<x−a<α⇒fx>N1−gx>−β+b

fx−gx>N1−β+b⇒fx+gx>N1−β+b    ;    a+b≥a−b⇒fx+gx>N+β+b−β+b    ;    N1=N+β+b⇒fx+gx>N⇒limx→afx+gx=∞

قضیه

اگر limx→afx=+∞limx→agx=c>0 باشد، آنگاه:

limx→afx.gx=+∞

اثبات

بر اساس حکم می‌خواهیم ثابت کنیم:

∀N>0     ∃α>0     ;     0<x−a<α⇒fx.gx>N

بنا به فرض:

limx→afx=+∞∀N'>0    ∃α1>0    ;     0<x−a<α1⇒fx>N'    ;    Ιlimx→agx=c∀β>0    ∃α2>0    ;    0<x−a<α2⇒gx−c<β


gx−c<β⇒−β<gx−c<β⇒c−β<gx<c+β    ;    if β=c2⇒c−c2<gx<c+c2⇒c2<gx<3c2    ;    ΙΙ


با فرض این‌که α=minα1,α2 از رابطه ΙΙ ,Ι داریم:

0<x−a<α⇒gx>c2fx>N'fx.gx>c2N'⇒fx.gx>c2.2Nc    ;    N'=2Nc⇒fx.gx>N⇒limx→afx.gx=+∞

قضیه

اگر limx→afx=0limx→agx=c>0 باشد، برای مقادیر مثبت fx داریم: 

limx→agxfx=+∞

اثبات

بر اساس حکم می‌خواهیم ثابت کنیم:

∀Ν>0     ∃  α>0    ;    0<x−a<α   ⇒gxfx>N

بنا به فرض:

 limx→agx=c∀β>0    ∃α1>0    ;     0<x−a<α1⇒gx−c<β


gx−c<β⇒gx−c<c2    ;    if  β=c2⇒−c2<gx−c<c2⇒c2<gx<32c    ;    Ι

 limx→afx=0∀β>0    ∃ α2>0    ;    0<x−a<α2⇒fx<β


fx<β⇒fx<β     ;    fx>0⇒1fx>1β    ;    ΙΙ

با فرض این‌که α=minα1,α2 از رابطه ΙΙ ,Ι داریم:

if  0<x−a<α⇒1fx>1βgx>c2


gxfx>c2β⇒gxfx>c2c2N    ;    if β=c2N⇒gxfx>N⇒limx→agxfx=+∞

قضیه

اگر limx→afx=∞limx→agx=c باشد، آنگاه:

limx→agxfx=0

اثبات

بر اساس حکم می‌خواهیم ثابت کنیم:

∀β>0     ∃  α>0   ;     0<x−a<α⇒gxfx−0<β

بنا به فرض:

limx→afx=∞∀N>0    ∃α2>0⇒0<x−a<α2⇒fx>Nfx>N⇒fx>1+cβ     ;    if N=1+cβ⇒1fx<β1+c              Ι

limx→agx=c∀β>0     ∃ α2>0    ;    0<x−a<α2⇒gx−c<βgx−c<β⇒gx−c<1    ;    if   β=1⇒gx−c<1 ⇒gx<1+c    ;    ΙΙ


با فرض این‌که α=minα1,α2 از رابطه ΙΙ ,Ι داریم:

if  0<x−a<α⇒1fx<β1+cgx<1+cgxfx<β1+c  .  1+c⇒gxfx<β⇒limx→agxfx=0

قضیه

فرض می‌کنیم limx→afx=L≠0، آنگاه یک همسایگی محذوف از a وجود دارد که به ازای هر x از آن fx با L هم علامت است. 

اثبات

قضایای حد - پیمان گردلو

اگر L>0 باشد، یک بازه a−α , a+α−a از a هست که به ازای هر x از آن بازه fx>0 است و به همین ترتیب برای L<0.     


فرض کنیم L>0: 

∀β>0     ∃α>0     ;    a−α<x<a+α⇒0<x−a<α⇒fx−L<β    ;    if   β=L2⇒fx−L<L2⇒−L2<fx−L<L2⇒L−L2<fx<L+L2⇒L2<fx<32L    ;   L>0⇒fx>0


به همین ترتیب برای L<0  هم ثابت می‌شود. 

قضیه

اگر limx→afx=L باشد، آنگاه: 

limx→afx=L

اثبات

limx→afx=L∀β>0   ∃α>0     ;    0<x−a<α⇒fx−L<β    ;    fx−L≤fx−L⇒fx−L<β⇒limx→afx=L

قضیه

اگر n عدد طبیعی باشد، آنگاه برای تابع fx=xn داریم:

limx→nxn=an

الف) برای حالتی که a عددی مثبت است، یعنی n زوج یا فرد است.

ب) برای حالتی که a عددی منفی یا صفر است و n فرد است. 

اثبات

فرض کنیم a عددی مثبت باشد، بنا بر تعریف حد بایستی ثابت کنیم: 

limx→axn=an∀β>0    ∃α>0    ;   0<x−a<α⇒xn−an<β⇒x 1n−a 1nx 1nn−1+x 1nn−2.a 1n+⋯+a 1nn−1x 1nn−1+x 1nn−2.a 1n+⋯+a 1nn−1<β

⇒x−a1x 1nn−1+x 1nn−2.a 1n+⋯+a 1nn−1<β⇒x−a1x n−1n+x n−2n.a 1n+⋯⋯+a n−1n<β    ;    Ι⇒x−a1a n−1n<β⇒x−a<β.a n−1n


یادآوری می‌کنیم که:

an−bn=a−ban−1+an−2.b+⋯+bn−1


در Ι اگر مینیمم عبارت زیر را پیدا کنیم، در واقع max1A را یافته‌ایم:   

A=xn−1n+xn−2n.a1n+⋯+an−1n


فرض کنیم که a≥α باشد: 

if A=x n−1n+x n−2n.a1n+⋯+a n−1n⇒minA=0 n−1n+0 n−2n.a 1n+⋯+a n−1n⇒minA=a n−1n⇒max1A=1a n−1n

∀  β>0   ∃α>0  ;   0<x−a<mina,βa n−1n⇒xn−an<β ⇒x−a<αx−a<β.an−1nα≤β.an−1n

برای ارسال نظر وارد سایت شوید