Материал из Википедии - свободной энциклопедии

Бесконечно малая - числовая функция или последовательность, которая стремится к нулю.

Бесконечно большая - числовая функция или последовательность, которая стремится к бесконечности определённого знака.

Исчисление бесконечно малых и больших

Исчисление бесконечно малых - вычисления, производимые с бесконечно малыми величинами, при которых производный результат рассматривается как бесконечная сумма бесконечно малых. Исчисление бесконечно малых величин является общим понятием для дифференциальных и интегральных исчислений , составляющих основу современной высшей математики . Понятие бесконечно малой величины тесно связано с понятием предела .

Бесконечно малая

Последовательность $a_n$ называется бесконечно малой , если $\lim\limits_{n\to\infty}a_n=0$ . Например, последовательность чисел $a_n=\dfrac{1}{n}$ - бесконечно малая.

Функция называется бесконечно малой в окрестности точки $x_0$ , если $\lim\limits_{x\to x_0}f(x)=0$ .

Функция называется бесконечно малой на бесконечности , если $\lim\limits_{x\to+\infty}f(x)=0$ либо $\lim\limits_{x\to-\infty}f(x)=0$ .

Также бесконечно малой является функция, представляющая собой разность функции и её предела, то есть если $\lim\limits_{x\to+\infty}f(x)=a$ , то $f(x)-a=\alpha(x)$ , $\lim\limits_{x\to+\infty}(f(x)-a)=0$ .

Подчеркнём, что бесконечно малую величину следует понимать как переменную величину (функцию), которая лишь в процессе своего изменения [при стремлении $x$ к $a$ (из $\lim\limits_{x\to a}f(x)=0$ )] делается меньше произвольного числа ( $\varepsilon$ ). Поэтому, например, утверждение типа «одна миллионная есть бесконечно малая величина» неверно: о числе [абсолютном значении] не имеет смысла говорить, что оно бесконечно малое.

Бесконечно большая

Во всех приведённых ниже формулах бесконечность справа от равенства подразумевается определённого знака (либо «плюс», либо «минус»). То есть, например, функция $x\sin x$ , неограниченная с обеих сторон, не является бесконечно большой при $x\to+\infty$ .

Последовательность $a_n$ называется бесконечно большой , если $\lim\limits_{n\to\infty}a_n=\infty$ .

Функция называется бесконечно большой в окрестности точки $x_0$ , если $\lim\limits_{x\to x_0}f(x)=\infty$ .

Функция называется бесконечно большой на бесконечности , если $\lim\limits_{x\to+\infty}f(x)=\infty$ либо $\lim\limits_{x\to-\infty}f(x)=\infty$ .

Как и в случае бесконечно малых, необходимо отметить, что ни одно отдельно взятое значение бесконечно большой величины не может быть названо как «бесконечно большое» - бесконечно большая величина - это функция , которая лишь в процессе своего изменения может стать больше произвольно взятого числа.

Свойства бесконечно малых

Алгебраическая сумма конечного числа бесконечно малых функций есть бесконечно малая функция.
Произведение бесконечно малых - бесконечно малая.
Произведение бесконечно малой последовательности на ограниченную - бесконечно малая. Как следствие, произведение бесконечно малой на константу - бесконечно малая.
Если $a_n$ - бесконечно малая последовательность, сохраняющая знак, то $b_n=\dfrac{1}{a_n}$ - бесконечно большая последовательность.

Сравнение бесконечно малых

Определения

Допустим, у нас есть бесконечно малые при одном и том же $x\to a$ величины $\alpha(x)$ и $\beta(x)$ (либо, что не важно для определения, бесконечно малые последовательности).

Если $\lim\limits_{x\to a}\dfrac{\beta}{\alpha}=0$ , то $\beta$ - бесконечно малая высшего порядка малости , чем $\alpha$ . Обозначают $\beta=o(\alpha)$ или $\beta\prec\alpha$ .
Если $\lim\limits_{x\to a}\dfrac{\beta}{\alpha}=\infty$ , то $\beta$ - бесконечно малая низшего порядка малости , чем $\alpha$ . Соответственно $\alpha=o(\beta)$ или $\alpha\prec\beta$ .
Если $\lim\limits_{x\to a}\dfrac{\beta}{\alpha}=c$ (предел конечен и не равен 0), то $\alpha$ и $\beta$ являются бесконечно малыми величинами одного порядка малости . Это обозначается как $\alpha\asymp\beta$ или как одновременное выполнение отношений $\beta=O(\alpha)$ и $\alpha=O(\beta)$ . Следует заметить, что в некоторых источниках можно встретить обозначение, когда одинаковость порядков записывают в виде только одного отношения «о большое», что является вольным использованием данного символа.
Если $\lim\limits_{x\to a}\dfrac{\beta}{\alpha^m}=c$ (предел конечен и не равен 0), то бесконечно малая величина $\beta$ имеет $m$ -й порядок малости относительно бесконечно малой $\alpha$ .

Для вычисления подобных пределов удобно использовать правило Лопиталя .

Примеры сравнения

При ${x\to 0}$ величина $x^5$ имеет высший порядок малости относительно $x^3$ , так как $\lim\limits_{x\to 0}\dfrac{x^5}{x^3}=0$ . С другой стороны, $x^3$ имеет низший порядок малости относительно $x^5$ , так как $\lim\limits_{x\to 0}\dfrac{x^3}{x^5}=\infty$ .

С использованием О -символики полученные результаты могут быть записаны в следующем виде

x^5=o(x^3)

$\lim\limits_{x\to 0}\dfrac{2x^2+6x}{x}=\lim\limits_{x\to 0}\dfrac{2x+6}{1}=\lim\limits_{x\to 0}(2x+6)=6,$ то есть при $x\to 0$ функции $f(x)=2x^2+6x$ и $g(x)=x$ являются бесконечно малыми величинами одного порядка.

В данном случае справедливы записи

2x^2+6x = O(x)

x = O(2x^2+6x).

При ${x\to 0}$ бесконечно малая величина $2x^3$ имеет третий порядок малости относительно $x$ , поскольку $\lim\limits_{x\to 0}\dfrac{2x^3}{x^3}=2$ , бесконечно малая $0{,}7x^2$ - второй порядок, бесконечно малая $\sqrt{x}$ - порядок 0,5.

Эквивалентные величины

Определение

Если $\lim\limits_{x\to a}\dfrac{\beta}{\alpha}=1$ , то бесконечно малые или бесконечно большие величины $\alpha$ и $\beta$ называются эквивалентными (обозначается как $\alpha\thicksim\beta$ ).

Очевидно, что эквивалентные величины являются частным случаем бесконечно малых (бесконечно больших) величин одного порядка малости.

При справедливы следующие соотношения эквивалентности (как следствия из так называемых замечательных пределов):

$\sin\alpha(x)\thicksim\alpha(x);$
$\mathrm{tg}\,\alpha(x)\thicksim\alpha(x);$
$\arcsin{\alpha(x)}\thicksim\alpha(x);$
$\mathrm{arctg}\,\alpha(x)\thicksim\alpha(x);$
$\log_a(1+\alpha(x))\thicksim\alpha(x)\cdot\frac{1}{\ln{a}}$ , где $a>0$ ;
$\ln(1+\alpha (x))\thicksim\alpha(x);$
$a^{\alpha(x)}-1\thicksim\alpha(x)\cdot\ln{a}$ , где $a>0$ ;
$e^{\alpha(x)}-1\thicksim\alpha(x);$
$1-\cos{\alpha(x)}\thicksim\frac{\alpha^2(x)}{2};$
$(1+\alpha(x))^\mu-1\thicksim\mu\cdot\alpha(x),\quad\mu\in\R$ , поэтому используют выражение:

\sqrt[n]{1+\alpha(x)}\approx\frac{\alpha(x)}{n}+1

, где

\alpha(x)\xrightarrow{}0

Теорема

Предел частного (отношения) двух бесконечно малых или бесконечно больших величин не изменится, если одну из них (или обе) заменить эквивалентной величиной .

Данная теорема имеет прикладное значение при нахождении пределов (см. пример).

Примеры использования

Найти $\lim\limits_{x\to 0}\dfrac{\sin 2x}{x}.$

Заменяя

\sin 2x

эквивалентной величиной

2x

, получаем

\lim\limits_{x\to 0}\dfrac{\sin 2x}{x}=\lim\limits_{x\to 0}\dfrac{2x}{x}=2.

Найти $\lim\limits_{x\to\frac{\pi}{2}}\dfrac{\sin(4\cos x)}{\cos x}.$

Так как

\sin(4\cos x)\thicksim{4\cos x}

при

x\to\dfrac{\pi}{2}

получим

\lim\limits_{x\to \frac{\pi}{2}}\dfrac{\sin(4\cos x)}{\cos x}=\lim\limits_{x\to\frac{\pi}{2}}\dfrac{4\cos x}{\cos x}=4.

Вычислить $\sqrt{1{,}2}$ .

Используя формулу :

\sqrt{1{,}2}\approx 1+\frac{0{,}2}{2}=1{,}1

, тогда как, используя калькулятор (более точные вычисления), получили:

\sqrt{1{,}2}\approx 1{,}095

, таким образом ошибка составила 0,005 (менее 1 %), то есть метод полезен, благодаря своей простоте, при грубой оценке арифметических корней близких к единице.

История

Математики старой школы подвергли концепцию бесконечно малых резкой критике. Мишель Ролль писал, что новое исчисление есть «набор гениальных ошибок »; Вольтер ядовито заметил, что это исчисление представляет собой искусство вычислять и точно измерять вещи, существование которых не может быть доказано. Даже Гюйгенс признавался, что не понимает смысла дифференциалов высших порядков .

Как иронию судьбы можно рассматривать появление в середине XX века нестандартного анализа , который доказал, что первоначальная точка зрения - актуальные бесконечно малые - также непротиворечива и могла бы быть положена в основу анализа. С появлением нестандартного анализа стало ясно, почему математики XVIII века, выполняя незаконные с точки зрения классической теории действия, тем не менее получали верные результаты.

См. также

Напишите отзыв о статье "Бесконечно малая и бесконечно большая"

Примечания

Литература

// Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). - СПб. , 1890-1907.

Отрывок, характеризующий Бесконечно малая и бесконечно большая

– Ну, мой друг, я боюсь, что вы с монахом даром растрачиваете свой порох, – насмешливо, но ласково сказал князь Андрей.
– Аh! mon ami. [А! Друг мой.] Я только молюсь Богу и надеюсь, что Он услышит меня. Andre, – сказала она робко после минуты молчания, – у меня к тебе есть большая просьба.
– Что, мой друг?
– Нет, обещай мне, что ты не откажешь. Это тебе не будет стоить никакого труда, и ничего недостойного тебя в этом не будет. Только ты меня утешишь. Обещай, Андрюша, – сказала она, сунув руку в ридикюль и в нем держа что то, но еще не показывая, как будто то, что она держала, и составляло предмет просьбы и будто прежде получения обещания в исполнении просьбы она не могла вынуть из ридикюля это что то.
Она робко, умоляющим взглядом смотрела на брата.
– Ежели бы это и стоило мне большого труда… – как будто догадываясь, в чем было дело, отвечал князь Андрей.
– Ты, что хочешь, думай! Я знаю, ты такой же, как и mon pere. Что хочешь думай, но для меня это сделай. Сделай, пожалуйста! Его еще отец моего отца, наш дедушка, носил во всех войнах… – Она всё еще не доставала того, что держала, из ридикюля. – Так ты обещаешь мне?
– Конечно, в чем дело?
– Andre, я тебя благословлю образом, и ты обещай мне, что никогда его не будешь снимать. Обещаешь?
– Ежели он не в два пуда и шеи не оттянет… Чтобы тебе сделать удовольствие… – сказал князь Андрей, но в ту же секунду, заметив огорченное выражение, которое приняло лицо сестры при этой шутке, он раскаялся. – Очень рад, право очень рад, мой друг, – прибавил он.
– Против твоей воли Он спасет и помилует тебя и обратит тебя к Себе, потому что в Нем одном и истина и успокоение, – сказала она дрожащим от волнения голосом, с торжественным жестом держа в обеих руках перед братом овальный старинный образок Спасителя с черным ликом в серебряной ризе на серебряной цепочке мелкой работы.
Она перекрестилась, поцеловала образок и подала его Андрею.
– Пожалуйста, Andre, для меня…
Из больших глаз ее светились лучи доброго и робкого света. Глаза эти освещали всё болезненное, худое лицо и делали его прекрасным. Брат хотел взять образок, но она остановила его. Андрей понял, перекрестился и поцеловал образок. Лицо его в одно и то же время было нежно (он был тронут) и насмешливо.
– Merci, mon ami. [Благодарю, мой друг.]
Она поцеловала его в лоб и опять села на диван. Они молчали.
– Так я тебе говорила, Andre, будь добр и великодушен, каким ты всегда был. Не суди строго Lise, – начала она. – Она так мила, так добра, и положение ее очень тяжело теперь.
– Кажется, я ничего не говорил тебе, Маша, чтоб я упрекал в чем нибудь свою жену или был недоволен ею. К чему ты всё это говоришь мне?
Княжна Марья покраснела пятнами и замолчала, как будто она чувствовала себя виноватою.
– Я ничего не говорил тебе, а тебе уж говорили. И мне это грустно.
Красные пятна еще сильнее выступили на лбу, шее и щеках княжны Марьи. Она хотела сказать что то и не могла выговорить. Брат угадал: маленькая княгиня после обеда плакала, говорила, что предчувствует несчастные роды, боится их, и жаловалась на свою судьбу, на свекра и на мужа. После слёз она заснула. Князю Андрею жалко стало сестру.
– Знай одно, Маша, я ни в чем не могу упрекнуть, не упрекал и никогда не упрекну мою жену, и сам ни в чем себя не могу упрекнуть в отношении к ней; и это всегда так будет, в каких бы я ни был обстоятельствах. Но ежели ты хочешь знать правду… хочешь знать, счастлив ли я? Нет. Счастлива ли она? Нет. Отчего это? Не знаю…
Говоря это, он встал, подошел к сестре и, нагнувшись, поцеловал ее в лоб. Прекрасные глаза его светились умным и добрым, непривычным блеском, но он смотрел не на сестру, а в темноту отворенной двери, через ее голову.
– Пойдем к ней, надо проститься. Или иди одна, разбуди ее, а я сейчас приду. Петрушка! – крикнул он камердинеру, – поди сюда, убирай. Это в сиденье, это на правую сторону.
Княжна Марья встала и направилась к двери. Она остановилась.
– Andre, si vous avez. la foi, vous vous seriez adresse a Dieu, pour qu"il vous donne l"amour, que vous ne sentez pas et votre priere aurait ete exaucee. [Если бы ты имел веру, то обратился бы к Богу с молитвою, чтоб Он даровал тебе любовь, которую ты не чувствуешь, и молитва твоя была бы услышана.]
– Да, разве это! – сказал князь Андрей. – Иди, Маша, я сейчас приду.
По дороге к комнате сестры, в галлерее, соединявшей один дом с другим, князь Андрей встретил мило улыбавшуюся m lle Bourienne, уже в третий раз в этот день с восторженною и наивною улыбкой попадавшуюся ему в уединенных переходах.
– Ah! je vous croyais chez vous, [Ах, я думала, вы у себя,] – сказала она, почему то краснея и опуская глаза.
Князь Андрей строго посмотрел на нее. На лице князя Андрея вдруг выразилось озлобление. Он ничего не сказал ей, но посмотрел на ее лоб и волосы, не глядя в глаза, так презрительно, что француженка покраснела и ушла, ничего не сказав.
Когда он подошел к комнате сестры, княгиня уже проснулась, и ее веселый голосок, торопивший одно слово за другим, послышался из отворенной двери. Она говорила, как будто после долгого воздержания ей хотелось вознаградить потерянное время.
– Non, mais figurez vous, la vieille comtesse Zouboff avec de fausses boucles et la bouche pleine de fausses dents, comme si elle voulait defier les annees… [Нет, представьте себе, старая графиня Зубова, с фальшивыми локонами, с фальшивыми зубами, как будто издеваясь над годами…] Xa, xa, xa, Marieie!
Точно ту же фразу о графине Зубовой и тот же смех уже раз пять слышал при посторонних князь Андрей от своей жены.
Он тихо вошел в комнату. Княгиня, толстенькая, румяная, с работой в руках, сидела на кресле и без умолку говорила, перебирая петербургские воспоминания и даже фразы. Князь Андрей подошел, погладил ее по голове и спросил, отдохнула ли она от дороги. Она ответила и продолжала тот же разговор.
Коляска шестериком стояла у подъезда. На дворе была темная осенняя ночь. Кучер не видел дышла коляски. На крыльце суетились люди с фонарями. Огромный дом горел огнями сквозь свои большие окна. В передней толпились дворовые, желавшие проститься с молодым князем; в зале стояли все домашние: Михаил Иванович, m lle Bourienne, княжна Марья и княгиня.
Князь Андрей был позван в кабинет к отцу, который с глазу на глаз хотел проститься с ним. Все ждали их выхода.
Когда князь Андрей вошел в кабинет, старый князь в стариковских очках и в своем белом халате, в котором он никого не принимал, кроме сына, сидел за столом и писал. Он оглянулся.
– Едешь? – И он опять стал писать.
– Пришел проститься.
– Целуй сюда, – он показал щеку, – спасибо, спасибо!
– За что вы меня благодарите?
– За то, что не просрочиваешь, за бабью юбку не держишься. Служба прежде всего. Спасибо, спасибо! – И он продолжал писать, так что брызги летели с трещавшего пера. – Ежели нужно сказать что, говори. Эти два дела могу делать вместе, – прибавил он.
– О жене… Мне и так совестно, что я вам ее на руки оставляю…
– Что врешь? Говори, что нужно.
– Когда жене будет время родить, пошлите в Москву за акушером… Чтоб он тут был.
Старый князь остановился и, как бы не понимая, уставился строгими глазами на сына.
– Я знаю, что никто помочь не может, коли натура не поможет, – говорил князь Андрей, видимо смущенный. – Я согласен, что и из миллиона случаев один бывает несчастный, но это ее и моя фантазия. Ей наговорили, она во сне видела, и она боится.
– Гм… гм… – проговорил про себя старый князь, продолжая дописывать. – Сделаю.
Он расчеркнул подпись, вдруг быстро повернулся к сыну и засмеялся.
– Плохо дело, а?
– Что плохо, батюшка?
– Жена! – коротко и значительно сказал старый князь.
– Я не понимаю, – сказал князь Андрей.
– Да нечего делать, дружок, – сказал князь, – они все такие, не разженишься. Ты не бойся; никому не скажу; а ты сам знаешь.
Он схватил его за руку своею костлявою маленькою кистью, потряс ее, взглянул прямо в лицо сына своими быстрыми глазами, которые, как казалось, насквозь видели человека, и опять засмеялся своим холодным смехом.
Сын вздохнул, признаваясь этим вздохом в том, что отец понял его. Старик, продолжая складывать и печатать письма, с своею привычною быстротой, схватывал и бросал сургуч, печать и бумагу.
– Что делать? Красива! Я всё сделаю. Ты будь покоен, – говорил он отрывисто во время печатания.
Андрей молчал: ему и приятно и неприятно было, что отец понял его. Старик встал и подал письмо сыну.
– Слушай, – сказал он, – о жене не заботься: что возможно сделать, то будет сделано. Теперь слушай: письмо Михайлу Иларионовичу отдай. Я пишу, чтоб он тебя в хорошие места употреблял и долго адъютантом не держал: скверная должность! Скажи ты ему, что я его помню и люблю. Да напиши, как он тебя примет. Коли хорош будет, служи. Николая Андреича Болконского сын из милости служить ни у кого не будет. Ну, теперь поди сюда.
Он говорил такою скороговоркой, что не доканчивал половины слов, но сын привык понимать его. Он подвел сына к бюро, откинул крышку, выдвинул ящик и вынул исписанную его крупным, длинным и сжатым почерком тетрадь.
– Должно быть, мне прежде тебя умереть. Знай, тут мои записки, их государю передать после моей смерти. Теперь здесь – вот ломбардный билет и письмо: это премия тому, кто напишет историю суворовских войн. Переслать в академию. Здесь мои ремарки, после меня читай для себя, найдешь пользу.
Андрей не сказал отцу, что, верно, он проживет еще долго. Он понимал, что этого говорить не нужно.
– Всё исполню, батюшка, – сказал он.
– Ну, теперь прощай! – Он дал поцеловать сыну свою руку и обнял его. – Помни одно, князь Андрей: коли тебя убьют, мне старику больно будет… – Он неожиданно замолчал и вдруг крикливым голосом продолжал: – а коли узнаю, что ты повел себя не как сын Николая Болконского, мне будет… стыдно! – взвизгнул он.
– Этого вы могли бы не говорить мне, батюшка, – улыбаясь, сказал сын.
Старик замолчал.
– Еще я хотел просить вас, – продолжал князь Андрей, – ежели меня убьют и ежели у меня будет сын, не отпускайте его от себя, как я вам вчера говорил, чтоб он вырос у вас… пожалуйста.
– Жене не отдавать? – сказал старик и засмеялся.
Они молча стояли друг против друга. Быстрые глаза старика прямо были устремлены в глаза сына. Что то дрогнуло в нижней части лица старого князя.
– Простились… ступай! – вдруг сказал он. – Ступай! – закричал он сердитым и громким голосом, отворяя дверь кабинета.
– Что такое, что? – спрашивали княгиня и княжна, увидев князя Андрея и на минуту высунувшуюся фигуру кричавшего сердитым голосом старика в белом халате, без парика и в стариковских очках.
Князь Андрей вздохнул и ничего не ответил.
– Ну, – сказал он, обратившись к жене.
И это «ну» звучало холодною насмешкой, как будто он говорил: «теперь проделывайте вы ваши штуки».
– Andre, deja! [Андрей, уже!] – сказала маленькая княгиня, бледнея и со страхом глядя на мужа.
Он обнял ее. Она вскрикнула и без чувств упала на его плечо.
Он осторожно отвел плечо, на котором она лежала, заглянул в ее лицо и бережно посадил ее на кресло.
– Adieu, Marieie, [Прощай, Маша,] – сказал он тихо сестре, поцеловался с нею рука в руку и скорыми шагами вышел из комнаты.
Княгиня лежала в кресле, m lle Бурьен терла ей виски. Княжна Марья, поддерживая невестку, с заплаканными прекрасными глазами, всё еще смотрела в дверь, в которую вышел князь Андрей, и крестила его. Из кабинета слышны были, как выстрелы, часто повторяемые сердитые звуки стариковского сморкания. Только что князь Андрей вышел, дверь кабинета быстро отворилась и выглянула строгая фигура старика в белом халате.
– Уехал? Ну и хорошо! – сказал он, сердито посмотрев на бесчувственную маленькую княгиню, укоризненно покачал головою и захлопнул дверь.

В октябре 1805 года русские войска занимали села и города эрцгерцогства Австрийского, и еще новые полки приходили из России и, отягощая постоем жителей, располагались у крепости Браунау. В Браунау была главная квартира главнокомандующего Кутузова.
11 го октября 1805 года один из только что пришедших к Браунау пехотных полков, ожидая смотра главнокомандующего, стоял в полумиле от города. Несмотря на нерусскую местность и обстановку (фруктовые сады, каменные ограды, черепичные крыши, горы, видневшиеся вдали), на нерусский народ, c любопытством смотревший на солдат, полк имел точно такой же вид, какой имел всякий русский полк, готовившийся к смотру где нибудь в середине России.

Приводится определение бесконечно малой последовательности. Она обладает свойствами сходящихся последовательностей. Также имеются свойства, характерные только для последовательностей с пределом равным нулю. Приводятся доказательства таких свойств. Рассмотрен пример, в котором нужно доказать, что последовательность бесконечно малая.

Содержание

Определение

Бесконечно малая последовательность { α n } - это сходящаяся последовательность, предел которой равен нулю:
.

Следующие свойства являются прямым следствием арифметических свойств , примененных к последовательностям, предел которых равен нулю.

Свойство суммы и разности бесконечно малых последовательностей

Сумма и разность конечного числа бесконечно малых последовательностей является бесконечно малой последовательностью.
Также линейная комбинация конечного числа бесконечно малых последовательностей является бесконечно малой последовательностью.
Доказательство предела суммы и разности числовых последовательностей .

Свойство произведения бесконечно малых последовательностей

Произведение конечного числа бесконечно малых последовательностей является бесконечно малой последовательностью.
Доказательство предела произведения числовых последовательностей .

Следующие свойства относятся только к бесконечно малым последовательностям и не являются прямым следствием свойств сходящихся последовательностей.

{ x n }
x n = b + α n ,
где { α n }

Доказательства свойств

Свойство произведения ограниченной последовательности на бесконечно малую

Произведение ограниченной последовательности на бесконечно малую является бесконечно малой последовательностью.

Доказательство

Пусть последовательность ограничена некоторым числом :
(3.1) .

Пусть последовательность - бесконечно малая. То есть имеется такая функция , зависящая от переменной , что для любого положительного значения переменной , выполняется неравенство
(3.2) при .

Пусть последовательность является произведением последовательностей и . Ее общий член имеет вид:
.
Нам нужно найти такую функцию , при которой выполняется неравенство
(3.3) при .

Применим (3.1) и (3.2):
.
Это выполняется при . Итак,
.
Положим :
.

То есть мы нашли такую функцию , при которой, для любого положительного числа , выполняется неравенство:
(3.3) при .

Свойство доказано.

Свойство представления сходящейся последовательности через бесконечно малую

Для того, чтобы последовательность { x n } имела предел b , необходимо и достаточно, чтобы
x n = b + α n ,
где { α n } - бесконечно малая последовательность.

Доказательство

Необходимость . Пусть . Рассмотрим последовательность с общим членом . Используем арифметические свойства пределов :
.
То есть - бесконечно малая последовательность.

Достаточность . Пусть . На основании арифметических свойств пределов имеем:
.

Свойство доказано.

Пример

Все примеры Используя определение предела последовательности доказать, что последовательность

является бесконечно малой.

Выпишем определение бесконечно малой последовательности:
.
Поскольку n является натуральным числом, n = 1, 2, 3, ... , то
,
,
.
Поэтому члены последовательности являются положительными числами. Тогда
.

Итак, мы получили следующую оценку:
.
Вводим положительные числа и :
.
Согласно свойствам неравенств , если и , то
.

Отсюда следует, что для любого положительного можно найти натуральное число , так что при ,
.
Это означает, что предел исходной последовательности равен нулю и, следовательно, она является бесконечно малой.

Сравнение бесконечно малых функций, эквивалентные функции

Бесконечно малые и бесконечно большие величины.

О.1. Последовательность называется бесконечно большой, если для любого положительного числа А (сколь большим бы мы его не взяли) существует номер N такой, что при n›N выполняется неравенство | х п | › А, т.е. какое бы большое число А мы не взяли, найдется такой номер, начиная с которого все члены последовательности окажутся больше А.

Определение 6 . Последовательность {α п } называется бесконечно малой, если для любого положительного числа ε (сколь малым бы мы его не взяли) существует номер N такой, что при n›N выполняется неравенство | α п | ‹ε.

1. Последовательность {п} является бесконечно большой.

2. Последовательность {} является бесконечно малой.

Теорема 1. Если {х п } - бесконечно большая последовательность и все ее члены отличны от нуля, х п ≠0, то последовательность {α п }=- бесконечно малая, и, обратно, если {α п } бесконечно малая последовательность, α п ≠0, то последовательность {х п }=бесконечно большая.

Сформулируем основные свойства бесконечно малых последовательностей в виде теорем.

Теорема 2. Сумма и разность двух бесконечно малых последовательностей есть бесконечно малые последовательности.

Пример 2. Последовательность с общим членом бесконечно малая, т.к. т.е заданная последовательность является суммой бесконечно малых последовательностей и и поэтому является бесконечно малой.

Следствие. Алгебраическая сумма любого конечного числа бесконечно малых последовательностей есть бесконечно малая последовательность.

Теорема 3. Произведение двух бесконечно малых последовательностей есть бесконечно малая последовательность.

Следствие. Произведение любого конечного числа бесконечно малых последовательностей есть бесконечно малая последовательность.

Замечание. Частное двух бесконечно малых последовательностей может быть любой последовательностью и может не иметь смысла.

Например, если , , то все элементы последовательности равны 1 и данная последовательность является ограниченной. Если , , то последовательность - бесконечно большая, и наоборот, если , а , то - бесконечно малая последовательность. Если начиная с некоторого номера элементы последовательности равны нулю, то последовательность не имеет смысла.

Теорема 4. Произведение ограниченной последовательности на бесконечно малую есть бесконечно малая последовательность.

Пример 3. Последовательность бесконечно малая, т.к. и последовательность {}- бесконечно малая, последовательность - ограничена, т.к. ‹ 1. Следовательно, - бесконечно малая последовательность.

Следствие. Произведение бесконечно малой последовательности на число есть бесконечно малая последовательность.

Определение. Функция f(x) называется бесконечно большой при , если для любого, даже сколь угодно большого положительного числа , найдется такое положительное число (зависящее от М, δ=δ(М)), что для всех х, не равных х 0 и удовлетворяющих условию , выполняется неравенство

Записывают: или при .

Например, функция есть бесконечно большая функция при ; функция при .

Если f(x) стремится к бесконечности при и принимает лишь положительные значения, то пишут , если лишь отрицательные значения, то .

Определение. Функция f(x), заданная на всей числовой прямой, называется бесконечно большой при , если для любого положительного числа , найдется такое положительное число (зависящее от М, N=N(М)), что при всех х, удовлетворяющих условию , выполняется неравенство

Например, функция у=2 х есть бесконечно большая функция при ; функция является бесконечно большой функцией при .

Свойства бесконечно больших функций:

1. Произведение б.б.ф. на функцию, предел которой отличен от нуля, есть б.б.ф.

2. Сумма б.б.ф. и ограниченной функции есть б.б.ф.

3. Частное от деления б.б.ф. на функцию, имеющую предел, есть б.б.ф.

Например, если функция f(x)=tgx есть б.б.ф. при , функция φ(х)=4х-3 при имеет предел (2π-3) отличный от нуля, а функция ψ(х)=sinx – ограниченная функция, то

f(x) φ(х)=(4х-3) tgx; f(x) + ψ(х)= tgx + sinx; есть бесконечно большие функции при .

Определение. Функция f(x) называется бесконечно малой при , если

По определению предела функции равенство (1) означает: для любого, даже сколь угодно малого положительного числа , найдется такое положительное число (зависящее от ε, δ=δ(ε)), что для всех х, не равных х 0 и удовлетворяющих условию , выполняется неравенство

Теорема. Для выполнения равенства необходимо и достаточно, чтобы функция была бесконечно малой при . При этом функция может быть представлена в виде .

Аналогично определяется б.м.ф. при ,- 0, , во всех случаях f(x)0.

Бесконечно малые функции часто называют бесконечно малыми величинами или бесконечно малыми; обозначают обычно греческими буквами α, β и т.д.

Например, у=х 2 при х→0; у=х-2 при х→2; у=sinx при х→πк, - бесконечно малые функции.

Свойства бесконечно малых функций:

1. Сумма конечного числа бесконечно малых функций есть величина бесконечно малая;

2. Произведение конечного числа бесконечно малых функций, а также бесконечно малой функции на ограниченную функция, есть величина бесконечно малая;

3. Частное от деления бесконечно малой функции на функцию, предел которой не равен нолю, если величина бесконечно малая.

Рассмотрим последнее свойство при если функции и являются бесконечно малыми (Сравнение бесконечно малых функций):

1). Если , то называется бесконечно малой, более высокого порядка малости, чем .

Пример . При х→2 функция (х - 2) 3 бесконечно малая более высокого порядка, чем (х -2), так как .

2). Если , то и называются бесконечно малыми одного порядка (имеют одинаковую скорость стремления к нолю);

Пример . При х→0 функции 5х 2 и х 2 являются бесконечно малыми одного порядка, так как .

3). Если ,то и называются эквивалентными бесконечно малыми, обозначаются ~., то

Связь между бесконечно малыми и бесконечно большими функциями: функция обратная бесконечно малой является бесконечно большой (и наоборот), т.е. если - бесконечно малая функция, то - бесконечно большая.

Приводится определение бесконечно большой последовательности. Рассмотрены понятия окрестностей бесконечно удаленных точек. Дано универсальное определение предела последовательности, которое относится как к конечным, так и к бесконечным пределам. Рассмотрены примеры применения определения бесконечно большой последовательности.

Содержание

См. также: Определение предела последовательности

Определение

Последовательность { β n } называется бесконечно большой последовательностью , если для любого, сколь угодно большого числа M , существует такое натуральное число N M , зависящее от M , что для всех натуральных n > N M выполняется неравенство
|β n | > M .
В этом случае пишут
.
Или при .
Говорят, что стремится к бесконечности, или сходится к бесконечности .

Если , начиная с некоторого номера N 0 , то
( сходится к плюс бесконечности ).
Если же , то
( сходится к минус бесконечности ).

Запишем эти определения с помощью логических символов существования и всеобщности:
(1) .
(2) .
(3) .

Последовательности с пределами (2) и (3) являются частными случаями бесконечно большой последовательности (1). Из этих определений следует, что если предел последовательности равен плюс или минус бесконечности, то он также равен и бесконечности:
.
Обратное, естественно, не верно. Члены последовательности могут иметь чередующиеся знаки. При этом предел может равняться бесконечности, но без определенного знака.

Заметим также, что если какое-то свойство выполняется для произвольной последовательности с пределом равным бесконечности, то это же свойство выполняется и для последовательности, чей предел равен плюс или минус бесконечности.

Во многих учебниках по математическому анализу, в определении бесконечно большой последовательности указывается, что число M является положительным: M > 0 . Однако это требование является лишним. Если его отменить, то никаких противоречий не возникает. Просто малые или отрицательные значения для нас не представляют никакого интереса. Нас интересует поведение последовательности при сколь угодно больших положительных значениях M . Поэтому, если возникнет необходимость, то M можно ограничить снизу любым, наперед заданным числом a , то есть считать, что M > a .

Когда же мы определяли ε - окрестность конечной точки, то требование ε > 0 является важным. При отрицательных значениях, неравенство вообще не может выполняться.

Окрестности бесконечно удаленных точек

Когда мы рассматривали конечные пределы, то ввели понятие окрестности точки. Напомним, что окрестностью конечной точки является открытый интервал, содержащий эту точку. Также мы можем ввести понятия окрестностей бесконечно удаленных точек.

Пусть M - произвольное число.
Окрестностью точки "бесконечность" , , называется множество .
Окрестностью точки "плюс бесконечность" , , называется множество .
Окрестностью точки "минус бесконечность" , , называется множество .

Строго говоря, окрестностью точки "бесконечность" является множество
(4) ,
где M 1 и M 2 - произвольные положительные числа. Мы будем использовать первое определение, , поскольку оно проще. Хотя, все сказанное ниже, также справедливо и при использовании определения (4).

Теперь мы можем дать единое определение предела последовательности, которое относится как к конечным, так и к бесконечным пределам.

Универсальное определение предела последовательности .
Точка a (конечная или бесконечно удаленная) является пределом последовательности , если для любой окрестности этой точки существует такое натуральное число N , что все элементы последовательности с номерами принадлежат этой окрестности.

Таким образом, если предел существует, то за пределами окрестности точки a может находиться только конечное число членов последовательности, или пустое множество. Это условие является необходимым и достаточным. Доказательство этого свойства, точно такое, как для конечных пределов.

Свойство окрестности сходящейся последовательности
Для того, чтобы точка a (конечная или бесконечно удаленная) являлась пределом последовательности , необходимо и достаточно, чтобы за пределами любой окрестности этой точки находилось конечное число членов последовательности или пустое множество.
Доказательство .

Также иногда вводят понятия ε - окрестностей бесконечно удаленных точек.
Напомним, что ε - окрестностью конечной точки a называется множество .
Введем следующее обозначение. Пусть обозначает ε - окрестность точки a . Тогда для конечной точки,
.
Для бесконечно удаленных точек:
;
;
.
Используя понятия ε - окрестностей, можно дать еще одно универсальное определение предела последовательности:

Точка a (конечная или бесконечно удаленная) является пределом последовательности , если для любого положительного числа ε > 0 существует такое натуральное число N ε , зависящее от ε , что для всех номеров n > N ε члены x n принадлежат ε - окрестности точки a :
.

С помощью логических символов существования и всеобщности, это определение запишется так:
.

Примеры бесконечно больших последовательностей

Пример 1

.
Выпишем определение бесконечно большой последовательности:
(1) .
В нашем случае
.

Вводим числа и , связав их неравенствами:
.
По свойствам неравенств , если и , то
.
Заметим, что при это неравенство выполняется для любых n . Поэтому можно выбрать и так:
при ;
при .

Итак, для любого можно найти натуральное число , удовлетворяющее неравенству . Тогда для всех ,
.
Это означает, что . То есть последовательность является бесконечно большой.

Пример 2

Пользуясь определением бесконечно большой последовательности показать, что
.

(2) .
Общий член заданной последовательности имеет вид:
.

Вводим числа и :
.
.

Тогда для любого можно найти натуральное число, удовлетворяющее неравенству , так что для всех ,
.
Это означает, что .

Пример 3

Пользуясь определением бесконечно большой последовательности показать, что
.

Выпишем определение предела последовательности, равному минус бесконечности:
(3) .
Общий член заданной последовательности имеет вид:
.

Вводим числа и :
.
Отсюда видно, что если и , то
.

Поскольку для любого можно найти натуральное число, удовлетворяющее неравенству , то
.

При заданном , в качестве N можно взять любое натуральное число, удовлетворяющее следующему неравенству:
.

Пример 4

Пользуясь определением бесконечно большой последовательности показать, что
.

Выпишем общий член последовательности:
.
Выпишем определение предела последовательности, равному плюс бесконечности:
(2) .

Поскольку n есть натуральное число, n = 1, 2, 3, ... , то
;
;
.

Вводим числа и M , связав их неравенствами:
.
Отсюда видно, что если и , то
.

Итак, для любого числа M можно найти натуральное число, удовлетворяющее неравенству . Тогда для всех ,
.
Это означает, что .

Использованная литература:
Л.Д. Кудрявцев. Курс математического анализа. Том 1. Москва, 2003.
С.М. Никольский. Курс математического анализа. Том 1. Москва, 1983.

См. также:

Теорема 2.4. Если последовательности {x n } и {y n } сходятся и при этом x n ≤ y n , n > n 0 , то lim x n ≤ lim y n .

Пусть lim xn = a,

lim yn = b и a > b. По определению 2.4 предела

последовательности по числу ε =

найдется номер N такой, что

Следовательно, n > max{n0 , N} yn <

< xn , что противоречит

условию.

Замечание. Если последовательности {xn }, {yn } сходятся и для

всех n > n0

xn < yn , то можно утверждать лишь, что lim xn

≤ lim yn .

Чтобы убедиться в этом, достаточно рассмотреть последовательности


		и yn =

Непосредственно из определения 2.4 следуют и такие результаты.

Теорема 2.5. Если числовая последовательность {x n } сходится и lim x n < b (b R), то N N: x n < b, n > N .

Cледствие. Если последовательность {xn } сходится и lim xn 6= 0, то

N N: sgn xn = sgn(lim xn ), n > N.

Теорема 2.6. Пусть последовательности {x n }, {y n }, {z n } удовлетворяют условиям:

1) x n ≤ yn ≤ zn , n > n0 ,

2) последовательности {x n } и {z n } сходятся и lim x n = lim z n = a.

Тогда последовательность {y n } сходится и lim y n = a.

2.1.3 Бесконечно малые последовательности

Определение 2.7. Числовая последовательность {x n } называется бесконечно малой (коротко б.м.), если она сходится и lim x n = 0.

Согласно определению 2.4 предела числовой последовательности, определение 2.7 эквивалентно следующему:

Определение 2.8. Числовая последовательность {x n } называется бесконечно малой, если для любого положительного числа ε найдется номер N = N(ε) такой, что при всех n > N элементы x n этой последовательности удовлетворяют неравенству |x n | < ε.

Итак, {xn } - б.м. ε > 0 N = N(ε) : n > N |xn | < ε.

Из примеров 2, 3 и замечания 1 к теореме 2.3 получаем, что после-

довательности (

q −n

являются бесконечно

Свойства бесконечно малых последовательностей описываются следующими теоремами.

Теорема 2.7. Сумма конечного числа бесконечно малых последовательностей есть бесконечно малая последовательность.

Пусть последовательности {xn }, {yn } - бесконечно малые. Покажем, что таковой будет и {xn + yn }. Зададим ε > 0. Тогда найдется номер

	N1 = N1 (ε) такой, что
	\|xn \| <		N > N1 ,


	и найдется номер N2 = N2 (ε) такой, что
	\|yn \| <		N > N2 .

Обозначим через N = max{N1 , N2 }. При n > N будут справедливы неравенства (2.1) и (2.2) . Поэтому при n > N

|xn + yn | ≤ |xn | + |yn | < 2 + 2 = ε.

Это означает, что последовательность {xn +yn } - бесконечно малая. Утверждение о сумме конечного числа бесконечно малых последо-

вательностей следует из доказанного по индукции.

Теорема 2.8. Произведение бесконечно малой последовательности на ограниченную последовательность есть бесконечно малая.

Пусть {xn } - ограниченная и {yn } - бесконечно малая последовательности. По определению 2.6 ограниченной последовательности найдется число M > 0 такое, что

|xn | ≤ M, n N.

Зафиксируем произвольное число ε > 0. Так как {yn } - бесконечно малая последовательность, то найдется номер N = N(ε) такой, что

Поэтому последовательность {xn · yn } является бесконечно малой.

Cледствие 1. Произведение бесконечно малой последовательности на сходящуюся есть бесконечно малая последовательность.

Cледствие 2. Произведение двух бесконечно малых последовательностей есть бесконечно малая последовательность.

Пользуясь бесконечно малыми последовательностями, на определение сходящейся последовательности можно посмотреть по-другому.

Лемма 2.1. Для того чтобы число a являлось пределом числовой последовательности {x n } , необходимо и достаточно, чтобы имело место представление x n = a + α n , n N, в котором {α n } - бесконечно малая последовательность.

Необходимость. Пусть lim xn = a и a R. Тогда

ε > 0 N = N(ε) N: n > N |xn − a| < ε.

Если положить αn = xn − a, n N, то получим, что {αn } - бесконечно малая последовательность и xn = a + αn , n N.

Достаточность. Пусть последовательность {xn } такова, что существует число a, для которого xn = a + αn , n N, и lim αn = 0. Зафиксируем произвольное положительное число ε. Так как lim αn = 0, то найдется номер N = N(ε) N такой, что |αn | < ε, n > N. То есть, в других обозначениях, n > N |xn − a| < ε. Это означает, что lim xn = a.

Применим лемму 2.1 к одному важному частному примеру.

Лемма 2.2. lim n n = 1.

√ √

Так как для всех n > 1 n n > 1, то n n = 1 + αn , причем αn > 0 для

всех n > 1. Поэтому n = (1 + α

)n = 1 + nα

+ αn .

Поскольку все слагаемые положительны, n

Пусть ε > 0. Так как

2/n < ε для всех n > 2/ε , то, полагая

N = max{1, }, получим, что 0 < αn < ε, n > N. Следовательно,

последовательность {αn } является бесконечно малой и, согласно лемме

2.1, lim n n = 1. √

Cледствие. Если a > 1, то lim n a = 1.√ √

Утверждение следует из неравенств 1 < n a ≤ n n , n > [a].

2.1.4 Арифметические операции с последовательностями

Пользуясь леммой 2.1 и свойствами бесконечно малых последовательностей, легко получить теоремы о пределах последовательностей, получаемых с помощью арифметических операций из сходящихся последовательностей.

|b| 3|b|

2 < |y n | < 2

Теорема 2.9. Пусть числовые последовательности {x n } и {y n } сходятся. Тогда имеют место утверждения:

1) последовательность {x n ± y n } сходится и

lim(xn ± yn ) = lim xn ± lim yn ;

2) последовательность {x n · y n } сходится и

lim(xn · yn ) = lim xn · lim yn ;

3) если lim y n 6= 0, то отношение x n /y n определено, начиная с

некоторого номера, последовательность { x n } сходится и

По теореме 2.8 и следствию 1 последовательности {a · βn }, {b · αn }, {αn · βn } являются бесконечно малыми. По теореме 2.7 последовательность {aβn + bαn + αn βn } бесконечно мала. Из представления (2.5) по лемме 2.1 и следует утверждение 2).

Обратимся к утверждению 3). По условию lim yn = b 6= 0. В силу теоремы 2.3. последовательность {|yn |} сходится и lim |yn | = |b| 6= 0. Поэтому по числу ε = |b|/2 найдется номер N такой, что n > N

0 < | 2 b| = |b| −

Следовательно, yn =6 0, и 3|b| < y n < |b| , n > N.

Таким образом, частное xn /yn определено для всех n > N, а последовательность {1/yn } ограничена. Рассмотрим для всех n > N разность

(αn b − aβn ).