הוכחה:
נדרש להראות 2 סדרות השואפות לאפס כך שבהפעלת הפונקציה עליהן הן ישאפו לגבולות שונים.
נגדיר את הסדרות:
xn=n1yn=−n1
שתי הסדרות הללו מתכנסות לאפס לפי הוכחה מההרצאה ולא שוות מאפס על פי הגדרת n.
נסתכל כעת על limn→∞f(xn),limn→∞f(yn).
n→∞limn1[n1]sinn1↓לפי חשבון גבולות=n→∞lim[n1]⋅n→∞limn1sinn1↓הגבול המיוחד + הרכבה=n→∞lim[n1]⋅1
מכיוון שכל האיברים בסדרה xn הינם בין 0 ל-1 אנו יודעים כי הערך השלם של כולם יהיה 0 ולכן:
n→∞limf(xn)=0n→∞lim−n1[−n1]sin(−n1)↓לפי חשבון גבולות=n→∞lim[−n1]⋅n→∞lim−n1sin−n1↓הגבול המיוחד + הרכבה=n→∞lim[−n1]⋅1
מכיוון שכל האיברים בסדרה yn הינם בין −1 ל-0 אנו יודעים כי הערך השלם של כולם יהיה −1 ולכן:
n→∞limf(yn)=−1
לכן, קיימות שתי סדרות שונות השואפות ל-0 שכאשר מפעילים עליהם את f מקבלים שתי גבולות שונים ולכן, היינה לא מתקיים ולכן, לפי משפט, לא קיים גבול. ∎
תרגיל (1 [ג])
בעזרת גבולות חד צדיים.
הוכחה:
נסתכל תחילה על הגבול מימין:
x→0+limx[x]sinx↓לפי חשבון גבולות=x→0+limx⋅x→0+limxsinx↓הגבול המיוחד=0⋅1=0
כעת, נעבור להסתכל על הגבול משמאל:
x→0−limx[x]sinx↓לפי חשבון גבולות=x→0−lim(x−1)⋅x→0−limxsinx↓הגבול המיוחד=−1⋅1=−1
מכיוון ש-limx→0+x[x]sinx=limx→0−x[x]sinx, אזי, לפי משפט, לא קיים גבול בנקודה x=0. ∎
תרגיל (1 [ד])
בעזרת תנאי קושי.
הוכחה:
קיים ε>0 ונגדיר δ>0 כך שקיימים 0<∣x1∣<δ, 0<∣x2∣<δ.
כעת, נגביל את δ כך ש-δ≤1. נבחר x1>0 ו-x2<0. לאור הגבלתינו, נראה כי בעצם מתקיים כי 0<x1<1 ו-−1<x2<0.
לכל x1,x2 המקיימים את התנאים הנ"ל מתקיים:
מכיוון ש-x2<0, נוכל לבחור x2 קרוב ל-0 כרצונינו. לכן, לפי משפט, מתקיים כי x2sinx2 שואף ל-1 ולכן, על פי הגדרת הגבול, x2sinx2 נמצא בסביבה של 1, כלומר, נגדיר ε1>0 ואז יתקיים 1−ε1<x2sinx2 ולכן מתקיים כי:
>1−ε1
זה מתקיים בפרט עבור ε1=21. בנוסף, התנאי ההתחלתי מתקיים בפרט עבור ε=21.
=21=ε
לכן, תנאי קושי לא מתקיים ולכן, לפי משפט, לפונקציה אין גבול ב-x=0. ∎
תרגיל 2
תרגיל (2 [א])
נתונה פונקציה f:R→R המקיימת limx→0f(x)=L ופונקציה g:(0,∞)→Rחיובית ממש המקיימת limx→∞g(x)=0. הוכיחו כי limx→∞f(g(x))=L בשתי דרכים:
i. בלשון ε−δ
ii. בעזרת משפט היינה
הוכחה: (i)
יהי ε>0.
נתון כי limx→∞g(x)=0 ⇐ לכל ε1>0 קיים x1>0 כך שלכל x>x1 מתקיים −ε1<g(x)<ε1 ולכן, לפי נתון נוסף, 0<g(x)<ε1.
בנוסף, נתון כי limx→0f(x)=L => לכל ε>0 קיימת δ2>0 כך שלכל 0<∣t∣<δ2 מתקיים ∣f(t)−L∣<ε.
נבחר x0>x1 כך שלכל x>x0 מתקיים כי −ε1<g(x)<ε1. הנתון הקודם מתרחש גם כאשר t=g(x) ו-δ2≤ε1 ולכן מתקיים כי לכל 0<∣g(x)∣<δ2 מתקיים ∣f(g(x))−L∣<ε.
לכן, לכל x>x0 מתקיים כי ∣f(g(x))−L∣<ε. ∎
הוכחה: (ii)
נתון כי limx→0f(x)=L ולכן, לפי משפט היינה לכל 0=xnn→∞⟶0 מתקיים f(xn)n→∞⟶L.
בנוסף, נתון כי limx→∞g(x)=0 ולכן, לפי משפט היינה, לכל ynn→∞⟶∞ מתקיים g(yn)n→∞⟶0.
נקח xn=g(yn) שמקיימת limn→∞g(yn)=0 על פי הגדרתה ולכן מתאימה למשפט. לכן, נקבל, לפי המשפט כי:
n→∞limf(g(yn))=L
ולכן, מכיוון שלכל סדרה ynn→∞⟶∞ מתקיים f(g(yn))n→∞⟶L אזי מתקיים כי limx→∞f(g(x))=L. ∎
תרגיל (2 [ב])
מצאו דוגמה נגדית(מנומקת היטב!) לטענה בסעיך הקודם, אם לא נתון כי g חיובית ממש.
דוגמה:
f(x)=⎩⎨⎧x1+5−x1+55x>0x<0x=0g(x)=x1sinx
הסבר:
f(g(x))=⎩⎨⎧0sinxx+5−sinxx+5x=0x>0x<0
על פי משפט מתקיים כי:
x→0+limf(x)=0+5=5x→0−limf(x)=−0+5=5
ולכן, לפי משפט מתקיים:
x→0limf(x)=5
הפונקציה x1sinx חותכת את ציר ה-x כאשר x=2π+πk (k∈N), לכן, לכל x0>0 קיים x1 כך ש-g(x1)=0.
כאשר g(x)=0 מתקיים כי f(g(x)) לא נמצא בסביבת 0<ε<21 של הגבול 5. לכן, מכיוון שלכל x>x0 קיים x1 שכזה, התנאי אינו מתקיים שכן אין גבול ל-f(g(x)) כאשר x שואף ל-∞.
תרגיל 3
תרגיל (3)
נגדיר f(x)=limn→∞3+xnxn.
מצאו את limx→1+f(x),limx→1−f(x),f(1).
תחילה, נחשב את f(1).
f(1)=n→∞lim3+1n1n↓חשבון גבולות=limn→∞3+limn→∞1nlimn→∞1n↓1 מציין את המספר 1והוא אינו סדרההשואפת ל-1=3+11=41
כעת, נעבור לחשב את הגבול מימין - נסמנו L. מכיוון שהגבול קיים, אזי לפי משפט היינה כל סדרה 1<xnn→∞⟶1 (בעצם, נקרא לה שואפת ל-1 מימין) מקיימת כי f(xn)n→∞⟶L. נסתכל כעת על סדרה שכזו: xn=1+n1. על פי הוכחה מההרצאה וחשבון גבולות מתקיים כי היא מתכנסת ל-1 ולפי אי השוויון 1<1+n1 מתקיים כי היא גדולה מ-1 לכל n ולכן, היא מתאימה לקריטריונים.
נסתכל כעת, מה קורה כאשר נרכיב עליה את f:
n→∞limf(xn)=n→∞lim(n→∞lim3+(1+n1)n(1+n1)n)↓לפי חשבון גבולות=n→∞lim(3+limn→∞(1+n1)nlimn→∞(1+n1)n)↓הגבול המיוחד=n→∞lim(3+ee)=3+ee
לכן, מתקיים כי:
x→1+limf(x)=3+ee
כעת, נעבור לחשב את הגבול משמאל - נסמנו K. מכיוון שהגבול קיים, אזי לפי משפט היינה כל סדרה 1>ynn→∞⟶1 (בעצם, נקרא לה שואפת ל-1 משמאל) מקיימת כי f(yn)n→∞⟶K. נסתכל על סדרה שכזו: yn=1−n1. על פי הוכחה מההרצאה וחשבון גבולות מתקיים כי היא מתכנסת ל-1 ולפי אי השוויון 1>1−n1 מתקיים כי היא קטנה מ-1 לכל n ולכן, היא מתאימה לקריטריונים.
כעת נסתכל מה קורה כאשר נרכיב עליה את f:
n→∞limf(yn)=n→∞lim(n→∞lim3+(1−n1)n(1−n1)n)↓לפי חשבון גבולות=n→∞lim(3+limn→∞(1−n1)nlimn→∞(1−n1)n)
נסתכל על limn→∞(1−n1)n אשר מופיע לנו פעמיים במשוואה שלנו.
x→0+limf(x)↓f(x)לפי הגדרת ומכיוון שמדוברבסביבה מנוקבת=x→0+limx1cosx1↓חשבון גבולות מורחב==∞x→0+limx1⋅חסום על פיcosהגדרת x→0+limcosx1↓חשבון גבולות מורחב=∞
כעת, נסתכל על הגבול של f(x) משמאל:
x→0−limf(x)↓f(x)לפי הגדרת ומכיוון שמדוברבסביבה מנוקבת=x→0−limx1cosx1↓חשבון גבולות מורחב==−∞x→0−limx1⋅חסום על פיcosהגדרת x→0−limcosx1↓חשבון גבולות מורחב=−∞
מכיוון שהפונקציה שואפת ל-∞ כאשר x שואף ל-0 מימין, אזי לכל x0>0 קיים 0<x<x0 כך ש-f(x)>x0.
באותו האופן, לכל x1<0 קיים x1<x<0 כך ש-f(x)<x1.
לכן, לכל סביבה של 0 לכל איבר יהיה איבר אשר בשבילו f(x) קטן מ-f שלו או גדול מ-f שלו ולכן, היא לא חסומה בכל סביבה של 0. ∎
תרגיל (4 [ב])
הוכיחו כי f(x) אינה שואפת ל-∞ או −∞ כאשר x שואף לאפס.
הוכחה:
על פי ההוכחה מהסעיף הקודם, נראה כי limx→0+f(x)=limx→0−f(x) ולכן, לפי יחידות הגבול, לא קיים גבול כאשר x שואף ל-0. ∎