f(x) a (x x 0 )-t használjuk.

Átírás

1 5. FÜGGVÉNYEK HATÁRÉRTÉKE ÉS FOLYTONOSSÁGA 5.1 Függvény határértéke Egy D R halmaz torlódási pontjainak halmazát D -vel fogjuk jelölni. Definíció. Legyen f : D R R és legyen x 0 D (a D halmaz torlódási pontja). Azt mondjuk, hogy f-nek van (véges) határértéke az x 0 pontban, ha van olyan a R szám, hogy minden ε > 0-hoz van olyan δ(ε) > 0, hogy f(x) a < ε ha 0 < x x 0 < δ(ε) és x D Az a R számot az f függvény x 0 pontbeli határértékének nevezzük, és jelölésére az f(x) a (x x 0 )-t használjuk. lim f(x) = a, vagy Állítás. A határérték, ha létezik, akkor egyértelmű. Bizonyítás. Tegyük fel, hogy f-nek létezik véges határértéke x 0 -ban, de nem egyértelmű. Akkor van két olyan szám a, a R, a a hogy minden ε > 0-hoz vannak olyan δ(ε), δ (ε) > 0 számok, melyekre Ebből f(x) a < ε ha 0 < x x 0 < δ (ε) és x D f(x) a < ε ha 0 < x x 0 < δ (ε) és x D. 0 a a = a f(x) + f(x) a < 2ε ha 0 < x x 0 < min{δ(ε), δ (ε)} és x D. Mivel itt ε > 0 tetszőlegesen kicsi, így a a = 0, a = a, ami ellentmondás, bizonyítva állításunkat. Megjegyzés. Határérték létezhet az x 0 pontban akkor is, ha a függvény nincs értelmezve a pontban de torlódási pontja annak (egy halmaz torlódási pontja ui. nem feltétlenül pontja a halmaznak). Éppen emiatt lényeges a definícióban a 0 < x x 0 feltétel, ez biztosítja azt, hogy x x 0. Tétel. [átviteli elv] Legyen f : D R R és x 0 D. f(x) = a akkor és csakis akkor, ha bármely (x n ) : N D, x 0 x n x 0 (n ) sorozat esetén lim f(x n ) a (n ). Másképpen megfogalmazva: az f függvény értelmezési tartományának egy x 0 torlódási pontjában akkor és csakis akkor lesz f határértéke az a szám, ha az értelmezési tartományból bármely x 0 -hoz konvergáló (x n ) sorozatot véve, melynek elemei x 0 -tól különbözőek, a függvényértékek (f(x n )) sorozata a hoz konvergál. így Bizonyítás. Ha lim f(x) = a, és x 0 x n x 0 (n ), akkor δ(ε) > 0-hoz van olyan N (δ(ε)) > 0, hogy ami azt jelenti, hogy f(x n ) a (n. x n x 0 < δ(ε) ha n > N (δ(ε)), f(x n ) a < ε ha n > N (δ(ε)), Indirekt bizonyítást használunk. Tegyük fel, hogy bármely (x n ) : N D, x 0 x n x 0 (n ) sorozat esetén f(x n ) a (n ), de a lim f(x) = a nem Ez utóbbi azt jelenti, hogy Ennek tagadása azt jelenti, hogy (ε > 0) (δ(ε) > 0) (x D) [(0 < x x 0 < δ(ε)) ( f(x) a < ε)]. (ε > 0) (δ(ε ) > 0) (x D) [(0 < x x 0 < δ(ε )) ( f(x) a ε )]. 1

2 2 Innen δ(ε ) = 1 n -t véve [( (xn D) 0 < x n x 0 < 1 ) ] ( f(x n ) a ε ) n de akkor x 0 x n x 0 (n ) és f(x n ) a (n ), ami ellentmondás. Megjegyezzük, hogy a P Q implikáció ekvivalens ( P ) Q-val, így tagadása (P Q) = (( P ) Q) = P ( Q) lesz (itt a tagadás műveletének logikai jele). Példák. ld. előadás. Átfogalmazás. f(x) a < ε f(x) K(a, ε) 0 < x x 0 < δ(ε) x D x (K(x 0, δ) \ {x 0 }) D ahol K(a, ε) az a pont ε sugarú környezetét jelöli. Ennek segítségével a definíció átfogalmazható: lim f(x) = a, ha a pont bármely K(a, ε) környezetéhez van x 0 -nak olyan K(x 0, δ) környezete, hogy ha x (K(x 0, δ) \ {x 0 }) D, akkor f(x) K(a, ε). Ez az átfogalmazás lehetőséget ad a határérték definíciójának kiterjesztésére. Azt mondjuk, hogy + + torlódási pontja D R-nek, ha bármely környezetében van D-beli pont (ami nyilvánvalóan mindig különböző + -től). 1. A definíció kiterjeszthető arra az esetre, amikor x 0, a R b. Például, az x 0 =, a = esetben a határérték definíciója: legyen x 0 = torlódási pontja D-nek, akkor lim f(x) = azt jelenti, hogy hogy bármely környezetéhez van -nek olyan környezete, hogy ha x-et ezen utóbbi környezet és D közös részéből vesszük, akkor f(x) benne lesz előbbi környezetében. Vagy, ami ugyanaz, bármely K < 0 számhoz van olyan δ(k) > 0 szám, hogy x f(x) < K ha x > δ(k), és x D. 2. Jobb- és baloldali határérték (csak x 0 R-ben). Tegyük fel, x 0 a D [x 0, + [ D ], x 0 ] halmaz torlódási pontja. Ha a D [x 0, + [ halmazra leszűkített függvény D ], x 0 ] határértéke az x 0 pontban az a szám, akkor azt mondjuk, hogy f jobboldali határértéke a, és ezt baloldali lim f(x) = a +0 lim 0 f(x) = a-val jelöljük. Másképpen fogalmazva, legyen x 0 a D [x 0, + [ halmaz torlódási pontja. Akkor mondjuk, hogy az f : D D ], x 0 ] R R függvénynek az a szám a jobboldali határértéke az x 0 pontban, ha minden ε > 0-hoz van olyan δ(ε) > 0, baloldali hogy f(x) a < ε ha 0 < x x 0 < δ(ε) δ(ε) < x x 0 < 0 és x D

3 Definíció. Legyenek f, g : D R R, akkor e függvények (pontonkénti) összegét, f c R-szeresét, szorzatukat, hányadosukat az (f + g)(x) : = f(x) + g(x) (x D) (cf)(x) : = cf(x) (x D) (fg)(x) : = f(x)g(x) (x D) (f/g)(x) : = f(x)/g(x) (x D, g(x) 0) képletekkel értelmezzük. Tétel. [határérték, monotonitás és műveletek] Legyenek f, g : D R R, x 0 D, és tegyük fel, hogy lim f(x) = a, lim g(x) = b. Akkor bármely c R mellett lim (f + g)(x) = a + b, lim (cf)(x) = ca, lim (fg)(x) = ab, lim (f/g)(x) = a/b, ha b 0. Ha f(x) g(x) (x D, x x 0 ), akkor a b. Ha f(x) h(x) g(x) (x D, x x 0 ), és a = b, akkor lim h(x) = a. Bizonyítás. Az átviteli elv alapján sorozatok határértékének tulajdonságaiból következik. A tétel akkor is igaz, ha a, b R b, x 0 R b, de ekkor meg kell követelnünk, hogy a jobboldali kifejezések (a + b, ca, ab, a/b) értelmezve legyenek. Definíció. A h(x) := g (f(x)) (x D) függvényt, ahol f : D R R, g : f(d) R, az f és g függvényekből összetett függvénynek nevezzük, f a belső, g a külső függvény. h jelölésére használjuk h = g f-t is (itt f(d) = { f(x) : x D } az f függvény értékkészlete). Tétel. [összetett függvény határértéke] Legyen f : D R R, g : f(d) R, és h(x) := g (f(x)) (x D). Ha x 0 D, lim f(x) = a, a / f (D \ {x 0 }), és lim g(x) = b y a akkor lim h(x) = b. Bizonyítás. Legyen x 0 x n x 0 (n ) akkor y n := f(x n ) a (n ) és y n f (D \ {x 0 }) ezért y n a, így h(x n ) = g(y n ) b (n.) 5.2 Függvény folytonossága 3 Definíció. Az f : D R R függvényt értelmezési tartományának x 0 D pontjában folytonosnak nevezzük, ha bármely ε > 0-hoz van olyan δ(ε) > 0, hogy f(x) f(x 0 ) < ε ha x x 0 < δ(ε) és x D Ha x 0 D D akkor f folytonos x 0 -ban akkor, és csakis akkor, ha lim f(x) = f(x 0 ). Ha x 0 D, de x 0 / D, akkor x 0 a D izolált pontja, izolált pontokban f a definíció alapján mindig folytonos. Tétel. [átviteli elv függvény folytonosságára] Az f : D R R függvény folytonos az x 0 D pontban akkor és csakis akkor, ha bármely (x n ) : N D, x n x 0 (n ) sorozat esetén f(x n ) f(x 0 ) (n ).

4 4 Környezetes átfogalmazás. Az f : D R R függvény folytonos az x 0 D pontban akkor és csakis akkor, ha f(x 0 ) bármely K(f(x 0 ), ε) környezetéhez van x 0 -nak olyan K(x 0, δ) környezete, hogy ha x K(x 0, δ), akkor f(x) K(f(x 0 ), ε). Tétel. [folytonosság es műveletek] Ha f, g : D R R folytonosak az x 0 D pontban, akkor f + g, cf, fg, f/g (ha g(x 0 ) 0) is folytonosak x 0 -ban. Továbbá, a h(x) = g (f(x)) (x D) összetett függvény (ahol f : D R R, g : f(d) R) folytonos x 0 -ban, ha f folytonos x 0 -ban és g folytonos az y 0 := f(x 0 ) pontban. 5.3 Folytonos függvények globális tulajdonságai Definíciók. Az f : D R R függvényt alulról alulról korlátosnak nevezzük, ha értékkészlete felülről felülről korlátos. Az f : D R R függvényt monoton növekvőnek csökkenőnek nevezzük D n, ha bármely x 1 < x 2, x 1, x 2 D esetén f(x 1 ) f(x 2 ) f(x 1 ) f(x 2 ) Az f : D R R függvényt szigorúan monoton növekvőnek csökkenőnek nevezzük D n, ha bármely x 1 < x 2, x 1, x 2 D esetén f(x 1 ) < f(x 2 ) f(x 1 ) > f(x 2 ) Azt mondjuk, hogy az f : D R R függvénynek lokális (helyi) maximuma minimuma az x 0 D pontban, ha van olyan ε > 0 hogy f(x 0 ) f(x) f(x 0 ) f(x) teljesül minden x K(x 0, ε) D esetén. Azt mondjuk, hogy az f : D R R függvénynek szigorú lokális (helyi) maximuma minimuma az x 0 D pontban, ha van olyan ε > 0 hogy esetén. f(x 0 ) > f(x) f(x 0 ) < f(x) teljesül minden x K(x 0, ε) D, x x 0 Azt mondjuk, hogy az f : D R R függvénynek globális (abszolút) maximuma minimuma van az x 0 D pontban, ha f(x 0 ) f(x) teljesül minden x D esetén. f(x 0 ) f(x) Azt mondjuk, hogy az f : D R R függvénynek szigorú globális (abszolút) maximuma minimuma van az x 0 D pontban, ha f(x 0 ) > f(x) f(x 0 ) < f(x) teljesül minden x D, x x 0 esetén.

5 5 Állítás. Folytonos függvény jeltartó, azaz ha f : D R R folytonos az x 0 D pontban, és f(x 0 ) 0 akkor van olyan δ > 0 hogy sg f(x) = sg f(x 0 ) ha x K(x 0, δ) D, ahol sg a szignum (előjel) függvényt jelöli. Bizonyítás. A folytonosság miatt ε := f(x 0 ) /2-höz van olyan δ > 0, hogy f(x) f(x 0 ) < f(x 0 ) /2 ha x x 0 < δ(ε) és x D. Legyen pl. f(x 0 ) > 0, akkor az előző egyenlőtlenséget részletesen kiírva kapjuk, hogy f(x 0 )/2 < f(x) f(x 0 ) < f(x 0 )/2, vagy f(x 0 )/2 < f(x) (< 3f(x 0 )/2), ha x G(x 0, δ) D, ami mutatja állításunk helyességét. Definíció. Azt mondjuk, hogy az f : D R R függvény folytonos az A D halmazon, ha f az A halmaz minden pontjában folytonos. Tétel. [folytonos függvény korlátossága] Korlátos zárt intervallumon folytonos függvény korlátos. Azaz ha f : [a, b] R folytonos [a, b]-n, akkor vannak olyan k, K R amelyekre k f(x) K minden x [a, b] mellett. Bizonyítás. Tegyük fel állításunkkal ellentétben, hogy pl. f nem korlátos felülről. Akkor minden n N-hez van olyan x n [a, b], hogy f(x n ) > n. Tekintsük az A := { x n : n N } halmazt. Ha A véges halmaz, akkor van olyan x k0 eleme A-nak, hogy x n = x k0 véges sok n index kivételével, azaz, x n = x k0 ha n > n 0. Ha A végtelen halmaz, akkor a Bolzano-Weierstrass tétel alapján A-nak van (legalább egy) x 0 torlódási pontja. x n [a, b] és [a, b] zártsága miatt x 0 [a, b]. Vegyünk az x 0 pont K(x 0, 1) környezetéből egy x 0 -tól különböző A-beli x n1 pontot. Ezután az x 0 pont K(x 0, d 1 ) környezetéből, ahol d 1 = x n1 x 0, válasszunk egy olyan x 0 -tól különböző x n2 A pontot melyre n 2 > n 1 legyen (ilyen biztosan van, mert az x 0 pont bármely környezete végtelen sok A-beli pontot tartalmaz, egyébként x 0 nem lehetne A torlódási pontja). Az x n3 pontot a K(x 0, d 2 ) környezetből választjuk, ahol d 2 = x n2 x 0, úgy, hogy x n3 x 0, és n 3 > n 2 legyen. Hasonlóan folytatva, egy olyan x nk A (k N) sorozatot kapunk mely x 0 -hoz konvergál. (Az x nk (k N) sorozatot az x n (n N) sorozat részsorozatának nevezzük). Mivel véges A esetén x nk := x k (k N), x 0 := x k0 -t véve ugyanez a helyzet, így mondhatjuk, hogy az x n (n N) sorozatból mind véges, mind végtelen A esetén kiválasztható egy x 0 [a, b]-hez konvergáló részsorozat. Mivel feltevésünk szerint f(x nk ) > n k (k N) így k -vel f x 0 -beli folytonossága miatt kapjuk, hogy f(x 0 ), ami ellentmondás, bizonyítva állításunkat. Tétel. [maximum, minimum létezése] Korlátos zárt intervallumon folytonos függvény felveszi a függvényértékek szuprémumát és infimumát függvényértékként. Azaz ha f : [a, b] R folytonos [a, b]-n, és akkor vannak olyan x m, x M [a, b] amelyekre m := inf{ f(x) : x [a, b] }, M := sup{ f(x) : x [a, b] } f(x m ) = m, f(x M ) = M. Azt is mondhatjuk, hogy korlátos zárt intervallumon folytonos függvénynek van maximuma és minimuma ezen az intervallumon.

6 6 Bizonyítás. Azt mutatjuk meg, hogy van olyan x M [a, b] melyre f(x M ) = M, a másik állítás igazolása hasonló. Tetszőleges n N esetén M 1 n nem felső korlátja a függvényértékeknek, igy van olyan x n [a, b], hogy M 1 n < f(x n) M (n N). Az előző tétel bizonyításához hasonlóan, kiválasztható az x n (n N) sorozatból egy olyan x nk (k N) részsorozat, mely valamely x M [a, b] elemhez konvergál. De akkor M 1 n k < f(x nk ) M (k N), amiből k -vel a folytonosság miatt M f(x M ) M adódik, azaz f(x M ) = M. Definíció. Azt mondjuk, hogy az f : D R R függvény egyenletesen folytonos a D 1 D halmazon, ha bármely ε > 0-hoz van olyan (csak ε-tól függő) δ(ε) > 0 amelyre f(x) f(y) < ε ha x y < δ(ε) és x, y D 1 Ha f csupán folytonos D 1 -en akkor a bármely ε > 0-hoz és bármely y D 1 -hez van olyan (y-tól is függő) δ(ε, y) > 0 amelyre f(x) f(y) < ε ha x y < δ(ε, y) és x D 1 Tétel. [Cantor tétele] Korlátos zárt intervallumon folytonos függvény ott egyenletesen folytonos. Nem bizonyítjuk. Tétel. [közbenső értékek tétele] Egy intervallumon folytonos függvény felvesz bármely két függvényérték közötti értéket is függvényértékként. Azaz, ha f : I R folytonos az I intervallumon, és f(α) y 0 f(β) valamely α, β I-re, akkor van olyan x 0 az α, β között, amelyre f(x 0 ) = y 0. Ebből következik, hogy egy intervallumon folytonos függvény értékkészlete is egy intervallum. Bizonyítás. Feltehető, hogy f(α) < y 0 < f(β). A határozottság miatt tegyük fel, hogy α < β és legyen A = { x [α, β] : f(x) < y 0 }. A felülről korlátos, nemüres halmaz, így van pontos felső korlátja: sup A = x 0 [α, β]. Megmutatjuk, hogy f(x 0 ) = y 0. Ha f(x 0 ) > y 0 volna, akkor az x f(x) y 0 függvény x 0 -beli jeltartósága miatt x 0 egy [α, β]-ba eső környezetében is f(x) > y 0 volna, de akkor x 0 csak ugy lehetne felső korlátja A-nak, ha x 0 = α, amiből f(α) = f(x 0 ) > y 0 adódik, ami ellentmond feltételezésünknek. Ha f(x 0 ) < y 0 volna, akkor az x f(x) y 0 függvény x 0 -beli jeltartósága miatt x 0 egy [α, β]-ba eső környezetében is f(x) < y 0 volna, de akkor x 0 csak ugy lehetne felső korlátja A-nak, ha x 0 = β, amiből f(β) = f(x 0 ) < y 0 adódik, ami ismét ellentmond feltételezésünknek. Így csak f(x 0 ) = y 0 lehet, bizonyítva állításunkat. Tétel. [inverz függvény folytonossága] Egy intervallumon folytonos, szigorúan monoton függvény injektív, és inverze is folytonos, és szigorúan monoton (ugyanolyan értelemben mint az eredeti függvény).

7 7 Azaz ha f : I R folytonos, szigorúan monoton az I intervallumon akkor f injektív, és az f 1 : J I (létező) inverz függvény folytonos J-n, és ugyanolyan értelemben monoton, mint f (ahol J := f(i) = { f(x) : x I } az f függvény értékkészlete). Nem bizonyítjuk. Szigorú monotonitás helyett injektivitást feltéve is folytonos az inverz függvény. Tétel. [inverz függvény folytonossága] Egy intervallumon folytonos és injektív függvény inverze is folytonos. Azaz ha f : I R folytonos és injektív az I intervallumon és J := f(i) = { f(x) : x I } az f függvény értékkészlete, akkor az f 1 : J I inverz függvény folytonos J-n. Nem bizonyítjuk. 5.4 Az elemi függvények folytonossága Az exponenciális és trigonometrikus függvények középiskolában tanult definícióját elfogadva további fontos függvényeket definiálunk. Definíciók. ln x := az e x függvény inverze, ln :]0, [ R, a x := e x ln a (x R) ahol a > 0, log a x := az a x függvény inverze, ahol 0 < a 1, log a :]0, [ R. A trigonometrikus függvények inverzeit az alábbi módon definiáljuk. Definíciók. arcsin x := a sin [ π 2, π 2 ] x függvény inverze, arcsin : [ 1, 1] [ π 2, ] π 2, arccos x := a cos [0,π] x függvény inverze, arccos : [ 1, 1] [0, π], arctan x := a tan ] π 2, π 2 [ x függvény inverze, arctan : R ] π 2, π 2 [, arcctg x := a ctg ]0,π[ x függvény inverze, arcctg : R ]0, π[ Definíció. Az f(x) = c (x R), (ahol c R tetszőleges konstans), f(x) = x (x R), f(x) = e x (x R), f(x) = ln x (x > 0), f(x) = sin x (x R), f(x) = arcsin x (x [ 1, 1]) függvényeket, és ezekből a 4 alapművelet (összeadás, kivonás, szorzás, osztás), összetett függvény képzése, leszűkítés egy intervallumra operációk véges sokszori alkalmazásával keletkező függvényeket elemi függvényeknek nevezzük. Tétel. A f(x) = x α := e α ln x (x > 0) általános hatványfüggvény, a trigonometrikus függvények és inverzeik, polinomok, racionális törtfüggvények (azaz polinomok hányadosai) elemi függvények. Bizonyítás. Ezen függvények ismert azonosságok felhasználásával kifejezhetők a definíció első részében felsorolt 6 elemi függvény segítségével a 4 alapművelet és összetett függvény képzése által. Tétel. Az elemi függvények folytonosak.

8 8 Bizonyítás. Elég az f(x) = c, x, e x, sin x függvények folytonosságát igazolni (ezekből az inverz függvény folytonoss ágára vonatkozó tétel miatt következik az f(x) = ln x, arcsin x folytnossága, majd a folytonosság és műveletek kapcsolata miatt a tétel. f(x) = c, f(x) = x folytonossága a definíció alapján nyilvánvaló. A sin függvény folytonossága sin x sin x 0 = 2 sin x x 0 2 cos x + x 0 2 x x 0 < ε ha x x 0 < δ(ε) = ε miatt következik. Az exponenciális függvény folytonosságat nehezebb igazolni, itt nem bizonyitjuk. 5.5 Nevezetes függvényhatárértékek Tétel. lim (1 + x) 1 e x 1 sin x x = e, lim = 1, lim x 0 x 0 x x 0 x = 1. Bizonyítás. Az első állítás a sorozatok határértékére vonatkozó lim (1 + x n) 1 xn = e ha 0 xn 0 (n ) n egyenlőségből következik. A másodikat úgy igazolhatjuk, hogy y = e x 1 transzformációval y 0 ha x 0, így e x 1 y lim = lim x 0 x y 0 ln(y + 1) = lim 1 = 1 y 0 ln(1 + y) 1 y ln e = 1. Az utolsó igazolásához felhasználjuk a geometriai meggondolásból adódó sin x < x < tg x ha 0 < x < π 2 egyenlőtlenséget. Ebből sin x-szel való osztással 1 < x sin x < 1 cos x, és x 0-val a rendőrtétel alapján adódik állításunk.