ФизМат: [Зачет 61] Теоремы о предельном переходе в неравенствах. Теорема о зажатой функции.

пятница, 17 мая 2013 г.

[Зачет 61] Теоремы о предельном переходе в неравенствах. Теорема о зажатой функции.

Теоремы о предельном переходе в неравенствах.

Теорема. Если элементы сходящейся последовательности {x_n}, начиная с некоторого номера, удовлетворяют неравенству x_n ≥ b (x_n ≤ b), то и предел a этой последовательности удовлетворяет неравенству a ≥ b (a ≤ b).

Доказательство. Пусть все элементы x_n, по крайней мере начиная с некоторого номера, удовлетворяют неравенству x_n ≥ b. Требуется доказать неравенство a ≥ b. Предположим, что a < b. Поскольку a - предел последовательности {x_n}, то для положительного ε = b - a можно указать номер Nтакой, что при n ≥ N выполняется неравенство |x_n - a| < b - a. Это неравенство эквивалентно следующим двум неравенствам: -(b - a) < x_n - a < b -a. Используя правое из этих неравенств, получим x_n < b, а это противоречит условию теоремы. Случай x_n ≤ b рассматривается аналогично. Теорема доказана.

Замечание. Элементы сходящейся последовательности {x_n} могут удовлетворять строгому неравенству x_n > b, однако при этом предел a может оказаться равным b. Например, если

, то x_n > 0, однако

Следствие 1. Если элементы x_n и y_n сходящихся последовательностей {x_n} и {y_n}, начиная с некоторого номера, удовлетворяют неравенству x_n≤ y_n, то их пределы удовлетворяют такому же неравенству:

В самом деле, элементы последовательности {y_n - x_n} неотрицательны, а поэтому неотрицателен и ее предел

. Отсюда следует, что

Следствие 2. Если все элементы сходящейся последовательности {x_n} находятся на сегменте [a, b], то и ее предел c также находится на этом сегменте.

В самом деле, так как a ≤ x_n ≤ b, то a ≤ c ≤ b.

Следующая теорема играет важную роль в различных приложениях.

Теорема. Пусть {x_n} и {z_n} - сходящиеся последовательности, имеющие общий предел a. Пусть, кроме того, начиная с некоторого номера, элементы последовательности {y_n} удовлетворяют неравенствам x_n ≤ y_n ≤ z_n. Тогда последовательность {y_n} сходится и имеет предел a.

Доказательство. Нам достаточно доказать, что последовательность {y_n - a} является бесконечно малой. Обозначим через N^* номер, начиная с которого выполняются неравенства, указанные в условии теоремы. Тогда, начиная с этого же номера, будут выполняться также неравенства x_n - a≤ y_n - a ≤ z_n - a. Отсюда следует, что при n ≥ N^* элементы последовательности {y_n - a} удовлетворяют неравенству

|y_n - a| ≤ max {|x_n - a|, |z_n - a|}.

Так как

, то для любого ε > 0 можно указать номера N₁ и N₂ такие, что при n ≥ N₁ |x_n - a| < ε, а при n ≥ N₂ |z_n - a| < ε. Пусть N= max{N^*, N₁, N₂}. Начиная с этого номера, имеет место неравенство |y_n - a| < ε. Итак, последовательность {y_n - a} - бесконечно малая. Теорема доказана.

Теорема о зажатой функции.

Если функция $y=f(x)$ такая, что $\varphi(x)\leqslant f(x)\leqslant\psi(x)$ для всех $x$ в некоторой окрестности точки $a$ , причем функции $\varphi(x)$ и $\psi(x)$ имеют одинаковый предел при $x\to a$ , то существует предел функции $y=f(x)$ при $x\to a$ , равный этому же значению, то есть

$\lim_{x\to a}\varphi(x)=\lim_{x\to a}\psi(x)=A\Rightarrow\lim_{x\to a}f(x)=A.$

пятница, 17 мая 2013 г.

[Зачет 61] Теоремы о предельном переходе в неравенствах. Теорема о зажатой функции.

пятница, 17 мая 2013 г.