תרגיל 1
הוכיחו את משפט ווירשטראס ב-n מימדים.
הוכחה:
סעיף א: נניח בשלילה ש-f לא חסומה.
אזי, לכל n קיימת xn כך שלכל n∈N מתקיים xn∈A ובנוסף f(xn)>n ולכן, לפי פיצה, f(xn)n→∞⟶∞.
הסדרה xn חסומה שכן A קבוצה חסומה ו-xn∈A לכל n∈N.
לכן, לפי BW, קיימת ת"ס מתכנסת xnknk→∞⟶x0. הקבוצה A סגורה ולכן, לפי יחס סדר גבולות, x0∈A.
f רציפה ב-A לפי הנתון ולכן, לפי הגדרה f(xnk)nk→∞⟶f(x0). בסתירה לכך ש-f(xn)n→∞⟶∞ שכן כל ת"ס של סדרה המתכנסת במובן הרחב מתכנסת במובן הרחב לאותו הגבול.
לכן, f חסומה.
סעיף ב': לפי א' ואקסיומת השלמות, קיים סופרמום ואינפימום ל-f ב-A. נסמנו M.
M סופרמום ולכן, לכל xn כך ש-xn∈A לכל n∈N מתקיים M−n1<f(xn)<M לכל n∈N לפי הגדרת הסופרמום.
לכן, לפי סנדוויץ', f(xn)n→∞⟶M.
xn חסומה שכן A קבוצה חסומה ולכן, לפי BW קיימת ת"ס xnk מתכנסת ל-x0. כלומר, xnknk→∞⟶x0.
נתון כי f רציפה ולכן, f(xnk)nk→∞⟶f(x0). לכן, לפי יחידות הגבול מתקיים f(xnk)nk→∞⟶M ולכן, לפי רציפות, f(x0)=M.
באותו האופן, עבור האינפימום.
∎
תרגיל 2
תהי f:R→R ו-g:R2→R פונקציות.
הוכיחו או הפריכו: g רציפה בכל R2 אם ורק אם f רציפה בכל R כאשר:
א. g(x,y)=f(x)
ב. f(x)=g(x,x)
ג. g(x,y)=f(x)+f(y)
טענה א': נכונה
הוכחה:
⟸: נתון כי g רציפה בכל R2.
נתון כי g(x,y)=f(x) ולכן, עבור y=0 מתקיים g(x,0)=f(x). נתון כי g רציפה בכל R2 ובפרט, רציפה עבור y=0 ולכן f(x) רציפה.
⟹: יהי (x0,y0).
נתון כי f רציפה ב-R ולכן: f(x)x→x0⟶f(x0) לכל x0∈R.
(x,y)→(x0,y0)limg(x,y)↓g(x,y)=f(x)=(x,y)→(x0,y0)limf(x)=f(x0)=g(x0,y0)
לכן, לפי הגדרה, g רציפה בכל R2.
∎
טענה ב': לא נכונה
נביט בפונקציות:
g(x,y)={5x0x=yx=yf(x)=5x
נשים לב כי: g(x,x)=f(x) לכל x∈R וכי f רציפה מהיותה אלמנטרית.
אך, g(x,y) אינה רציפה ובפרט, יש נק' אי רציפות בנק' (x,x) לכל x=0.
טענה ג': נכונה
הוכחה:
⟸: יהיו x0,y0∈R.
x→x0limf(x)=(x,y)→(x0,y0)lim(g(x,y)−f(y))=g(x0,y0)−y→y0limf(y)
נבחר y0=x0 ונקבל:
x→x0limf(x)↓הנ"ל+g(x,y)=f(x)+f(y)=f(x0)+f(x0)−x→x0limf(x)
2x→x0limf(x)=2f(x0)
x→x0limf(x)=f(x0)
לכן, לפי הגדרה, f רציפה ב-R.
⟹: יהי (x0,y0).
נתון כי f רציפה ב-R ולכן: f(x)x→x0⟶f(x0) לכל x0∈R.
(x,y)→(x0,y0)limg(x,y)=(x,y)→(x0,y0)limf(x)+f(y)=x→x0limf(x)+y→y0limf(y)=f(x0)+f(y0)=g(x0,y0)
לכן, לפי הגדרה, g רציפה בכל R2.
∎
תרגיל 3
חשבו את הגבול או הוכיחו שהוא אינו קיים:
(x,y)→(0,0)limx2+y21−cos(πxy)+sin(π(x2+y2))
נגדיר h(x,y)=x2+y21−cos(πxy) ואז:
h(rcosθ,rsinθ)=r2(cos2θ+sin2θ)1−cos(πr2cosθsinθ)=r21−r21cos(πr2cosθsinθ)=
=r21−cos(πr2cosθsinθ)≤r21−cos(πr2)=F(r)⋅G(θ)
נוכל להראות כי אם F(r)→0 ו-G(θ) חסומה אזי עבור: 0≤h(rcosθ,sinθ)≤F(r)⋅G(θ) אזי h(x,y)→0. (הוכחה ברור)
h(…)=r21−cos(πr2cosθsinθ)≥r21−1=0
לכן, לפי הנ"ל: h(x,y)(x,y)→(0,0)⟶0 ולכן:
(x,y)→(0,0)limf(x,y)=(x,y)→(0,0)limh(x,y)+π(x2+y2)πsin(π(x2+y2))↓a=π(x2+y2)(x,y)→(0,0)lima=0+הגבול המיוחד+=(x,y)→(0,0)limh(x,y)+π↓הנ"ל=π
חשבו את הגבול או הוכיחו שהוא אינו קיים
(x,y)→(1,5)lim∣x−1∣+∣y−5∣arctan(y−5x)
הדרכה: אפשר להכפיל ולחלק ב-y−5x (בזהירות).
(x,y)→(1,5)lim∣x−1∣+∣y−5∣arctan(y−5x)=(x,y)→(1,5)lim∣x−1∣+∣y−5∣arctan(y−5x)⋅y−5xy−5x=
=(x,y)→(1,5)limy−5xarctan(y−5x)⋅∣x−1∣+∣y−5∣y−5x
(x,y)→(1,5)lim∣x−1∣+∣y−5∣y−5x=(u,v)→(0,0)lim∣u∣+∣v∣v+5−5(u+1)=(u,v)→(0,0)lim∣u∣+∣v∣v−5u
נגדיר את המסלול u=0,v→0+. עבורו מתקיים:
v→0+lim∣v∣v=1
נגדיר את המסלול u=0,v→0−. עבורו מתקיים:
v→0−lim∣v∣v=−1
לפי משפט, הגבול של ∣x−1∣+∣y−5∣y−5x כאשר (x,y)→(1,5) לא קיים.
לכן, הגבול הנ"ל לא קיים.