Прежде чем обобщать дифференциальное исчисление, следует явно зафиксировать, что именно планируется обобщить. Итак, диффисчисление kartofanus vulgaris на R. Заранее сорри за все ляпы.
Определение R полагается известным. Все множества числовые, если не оговорено противное.
Пусть M - множество чисел, x - число.
Если для любого m из M верно, что m<x, то x называется верхней гранью M.
Если для любого m из M верно, что x<m, то x называется нижней гранью M.
Наименьшая верхняя грань называется супремум.
Наибольшая нижняя грань называется инфимум.
Интервалом от a до b называется множество всех таких чисел x, что a<x<b. Обозначается как (a;b).
Окрестностью точки x называется интервал, содержащий точку x.
Проколотой окрестностью точки x называется окрестность точки x, из которой исключена сама точка x.
ε-окрестностью точки x называется интервал (x-ε; x+ε), где ε - положительное число.
Последовательностью называется функция, определённая на множестве всех натуральных чисел. Образы называются точками последовательности. Натуральные числа - номерами.
Подпоследовательностью называется сужение последовательности на некоторое бесконечное подмножество натуральных чисел (перенумерованное по порядку).
Мы говорим, что некоторое утверждение верно для почти всех членов последовательности, если оно верно для всех её членов, начиная с некоторого.
Последовательность вещественных чисел сходится к точке x, если в любой окрестности x лежат почти все точки последовательности. Число x называется пределом. Обозначается lim xn = x.
Последовательность называется бесконечно-малой, если её предел равен нулю.
Последовательность чисел называется возрастающей, если в ней последующий член не меньше предшествующего.
Последовательность чисел называется ограниченной сверху, если существует некоторое число, большее каждого члена последовательности (оно называется верхней гранью последовательности).
Аналогично определяются убывающая последовательность, ограниченная снизу последовательность.
Если x1, x2, x3, ... и y1, y2, y3, ... - две последовательности, то последовательности {xn+yn}, {xn-yn}, {xn×yn} и {xn/yn} называются соответственно суммой, разностью, произведением и частным двух последовательностей. Частное определено лишь тогда, когда члены yn не равны нулю.
Отрезком от a до b называется множество всех таких чисел x, что a<=x<=b. Обозначается как [a;b].
Длиной отрезка [a;b] называется число b-a.
Если символом A обозначен отрезок, то символом |A| обозначена его длина.
Системой вложенных отрезков называется такая последовательность отрезков A1, A2, A3, ... , что A(n+1) - подмножество An.
Системой стягивающихся отрезков называется система вложенных отрезков, у которой последовательность длин |A1|, |A2|, |A3|, ... сходится к нулю.
Аксиома порядка. Для любых двух чисел p и q либо p<q, либо p=q, либо q<p.
Аксиома плотности. Если p и q - два числа такие, что p<q, то существует число r такое, что p<r<q.
Аксиома непрерывности. Любое непустое ограниченное сверху множество вещественных чисел имеет супремум. Любое непустое ограниченное снизу множество вещественных чисел имеет инфимум.
Аксиома Архимеда. Если c - вещественное число, то существует натуральное число n такое, что n>c.
Аксиома выбора. Если дана последовательность непустых числовых множеств, то из каждого множества можно выбрать число и получить последовательность чисел.
Теорема 0. Два разных числа обладают непересекающимися окрестностями.
Пруф. Пусть p и q - два разных числа, и пусть p<q. Существует число r такое, что p<r<q. Тогда (p-1;r) и (r;q+1) являются окрестностями соответственно p и q и не пересекаются.
Теорема 1. Если последовательность сходится, то она сходится к единственному пределу.
Пруф. Если последовательность сходится к двум разным пределам, то существуют два непересекающихся интервала U и V таких, что почти все члены последовательности лежат в U, и почти все члены последовательности лежат в V. Но почти все члены не могут лежать в V, так как вне U лежит лишь конечное количество членов.
Следствие. Пусть последовательности p1, p2, p3, ... и q1, q2, q3, ... сходятся к пределам соответственно p и q. Если последовательность p1, q1, p2, q2, p3, q3, ... сходится к пределу r, то p=q=r.
Пруф. В любой окрестности r лежат почти все точки p1, q1, p2, q2, ... .
Значит, в любой окрестности r лежат почти все точки последовательностей p1, p2, ... и q1, q2, ...
Значит, r - предел p1, p2, ...
Значит, r - предел q1, q2, ...
По единственности предела, r=p и r=q.
Теорема 2 (эпсилон-дельта формализм). Последовательность x1, x2, x3, ... сходится к пределу x тогда и только тогда, когда для всякого ε>0 существует натуральное число N такое, что для всех n>N верно, что |xn-x| < ε.
Пруф. |xn-x| < ε эквивалентно x-ε < xn < x+ε, то есть тому, что xn лежит в ε-окрестности точки x.
Следствие. Последовательность бесконечно-малая тогда и только тогда, когда все члены последовательности, начиная с некоторого, по модулю меньше любого наперёд заданного положительного числа.
Пруф. В этом случае x=0 и |xn-x| < ε превращается в |xn| < ε.
Пример 1. Последовательность 1, 1/2, 1/4, 1/8, ... , 1/2^n, ... сходится к нулю.
Пример 2. Последовательность 0.1, 0,01, 0.001, ... , 10^-n, ... сходится к нулю.
Теорема 3. Сумма бесконечно-малых последовательностей есть бесконечно-малая последовательность.
Пруф. Он опирается на следствие теоремы 2.
Пусть {xn} и {yn} - две бесконечно-малые последовательности.
Пусть ε - некоторое положительное число.
Существует такое N1, что для любого n>N1 верно |xn|<ε/2.
Существует такое N2, что для любого n>N2 верно |yn|<ε/2.
Положим N = max(N1, N2).
Для двух вещественных чисел всегда верно |p+q| <= |p|+|q|.
Значит, для любого n>N верно, что |xn+yn| <= |xn| + |yn| < ε/2 + ε/2 = ε.
То есть в любой окрестности нуля лежат почти все члены последовательности {xn+yn}, начиная с N-го.
Теорема 4. Произведение ограниченной последовательности на бесконечно-малую - бесконечно-малая последовательность.
Пруф. Он опирается на следствие теоремы 2.
Пусть {xn} и {yn} - соответственно ограниченная и бесконечно-малая последовательности.
Существует такое число M, что все члены xn по модулю меньше M.
Значит, существует такое натуральное число N1, что для всех n>N1 верно |xn|<M.
Пусть ε - некоторое положительное число.
Существует такое натуральное число N2, что для всех n>N2 верно |yn|<ε/M.
Положим N = max(N1,N2).
Для любого n>N верно, что |xn×yn|= |xn| × |yn| < M × ε/M = ε.
То есть в любой окрестности нуля лежат почти все члены последовательности {xn×yn}, начиная с N-го.
Теорема 5. Предел постоянной последовательности a, a, a, ... равен a.
Пруф. Для любого ε>0 все члены последовательности лежат в интервале (a-ε;a+ε).
Следствие 1. Если {xn} - бесконечно-малая, a - число, то {a×xn} - бесконечно-малая.
Пруф. Постоянная последовательность ограничена, воспользуемся теоремой 4.
Следствие 2. Разность бесконечно-малых - бесконечно-малая.
Пруф. Заменим вычитание {yn} на сложение с {-1×yn}, воспользуемся предыдущим следствием и теоремой 3.
Ясно, что результаты, установленные для суммы и произведения двух последовательностей, верны для суммы и произведения любого конечного числа последовательностей.
Теорема 6. Бесконечно-малая последовательность ограничена.
Пруф. Пусть ε - произвольное положительное число. Все члены последовательности, начиная с N-го, по модулю меньше ε. Пусть A - максимальное из чисел |x1|, |x2|, ... , |xN|, ε. Тогда все члены по модулю меньше A.
Теорема 7 (критерий сходимости). Чтобы последовательность была сходящейся, необходимо и достаточно, чтобы её можно было представить в виде суммы числа (т.е. постоянной последовательности) и некоторой бесконечно-малой последовательности. Это число будет пределом последовательности.
Пруф. Необходимость.
Пусть x1, x2, x3, ... - последовательность, сходящаяся к x.
Положим αn = xn-x, тогда xn = αn+x.
Последовательность αn бесконечно-малая, так как |xn-x|<ε означает |αn|<ε.
Достаточность.
Пусть xn = x + αn, и αn - бесконечно-малая последовательность.
Но αn = xn-x, и |αn|<ε означает |xn-x|<ε
Критерий сходимости позволяет свести свойства произвольной последовательности к свойствам бесконечно-малой последовательности.
Теорема 8. Сходящаяся последовательность ограничена.
Пруф. Пусть xn - сходящаяся к x последовательность.
По критерию сходимости, xn = x + αn, где x - число, αn - бесконечно-малая последовательность.
αn по теореме 6 ограничена некоторым числом M.
Значит, для любого номера n верно, что |xn|<x+M.
Следствие. Произведение двух бесконечно-малых - бесконечно-малая.
Пруф. Бесконечно-малая сходится и потому ограничена. Дальше теорема 4.
Теорема 9. Если lim xn = x, то lim c×xn = c × lim xn.
Пруф. c × xn = c×x + c×αn. Последовательность c×αn бесконечно-малая по следствию 1 из теоремы 5.
Теорема 10. Если xn и yn сходятся и lim xn = x, lim yn = y, то xn+yn, xn-yn, xn×yn и xn/yn сходятся, соответственно к пределам x+y, x-y, xy и x/y (с оговоркой об осмысленности частного).
Пруф. По критерию, xn = x+αn, yn = y+βn, где αn и βn - бесконечно-малые.
xn+yn = (x+αn) + (y+βn) = (x+y) + (αn+βn). Последовательность αn+βn бесконечно-малая по теореме 3.
xn-yn = (x+αn) + (-y-βn) = (x-y) + (αn-βn). Последовательность αn-βn бесконечно-малая по следствию 2 из теоремы 5.
xn×yn = (x+αn) × (y+βn) = x×y + x×βn + αn×y + αn×βn. Последовательности x×βn и αn×y бесконечно-малые по следствию 1 из теоремы 5. Последовательность αn×βn бесконечно-малая по следствию из теоремы 8. Поэтому последовательность (x×βn + αn×y + αn×βn) - бесконечно-малая.
Для частного доказывается многословнее. Оставим читателю.
Пример 3. Пусть A - число.
Последовательность A-0.1, A-0.01, ... , A-10^-n, ... сходится к A.
Теорема 11. Если xn сходится и для любого n верно, что xn≥a, то lim xn ≥ a.
Пруф. Пусть x = lim xn. Предположим, что x < a.
Положим ε = (x-a)/2. Тогда при достаточно больших n верно |xn-a| < (x-a)/2.
То есть (a-x)/2 < xn-a < (x-a)/2, откуда вытекает xn < (x+a)/2.
Учитывая предположение, получаем, что xn < a, что противоречит условию.
Следствие 1. Если xn≥ yn для всех n, то lim xn ≥ lim yn.
Пруф. Рассмотрим последовательность xn-yn.
Следствие 2. Если все xn > 0, то lim xn ≥ 0.
Гипотеза "xn> 0 ⇒ lim xn > 0" неверна, контрпримером будет 1/n.
Теорема 12. Если числа a и b входят в интервал U, то любое число x такое, что a < x < b, входит в интервал U.
Пруф. Очевидно.
Теорема 13 (о двух милиционерах).
Пусть xn, yn, zn - три последовательности.
Пусть для всех n верно xn ≤ yn ≤ zn.
Пусть xn и zn сходятся к A.
Тогда yn сходится к A.
Пруф. В любую окрестность числа A входят все точки последовательности xn, начиная с N1, и все точки последовательности zn, начиная с N2. По теореме 12, в эту окрестность входят все точки yn, начиная с max(N1,N2).
Теорема 14. В любой окрестности точки x есть числа, больше x, и числа, меньшие x.
Пруф. По определению интервала, существуют два такие числа a и b, что a < x < b. Дальше пользуемся плотностью.
Теорема 15. Если x - верхняя грань множества M, и если в некоторой окрестности U точки x нет точек из M, то любая точка из U является верхней гранью для M. Аналогично для нижней грани.
Пруф. В U есть число y, меньшее x. Если существует точка m из M такая, что y < m < x, то по теореме 12 эта точка m является элементом рассматриваемой окрестности U - но это противоречит условию. Значит, для любой точки m из M верно, что m<y. Аналогично для нижней грани.
Теорема 16. Любая окрестность супремума множества M содержит хотя бы одну точку из M.
Пруф. Пусть окрестность sup M не содержит точек M. По теореме 14 она содержит точку y, которая меньше sup M. По теореме 15 эта точка является верхней гранью M. Однако супремум - наименьшая из верхних граней.
Теорема 17 (Вейерштрасса о монотонности). Монотонно возрастающая ограниченная сверху последовательность сходится.
Пруф. Множество значений последовательности по условию ограничено. По аксиоме непрерывности оно имеет супремум, обозначим его x. Пусть U - произвольная окрестность точки x. По теореме 16, существует точка последовательности, лежащая в U, - то есть существует натуральное число N такое, что xN является элементом U. Тогда для любого n>N верно, что xN < xn < x. Воспользуемся теоремой о милиционерах.
Следствие. Монотонно убывающая ограниченная снизу последовательность сходится.
Пруф. Аналогично.
Теорема 18 (Коши-Кантора об отрезках). Для любой системы стягивающихся отрезков существует единственная точка, принадлежащая всем отрезкам.
Пруф. Пусть [a1;b1], [a2;b2], [a3;b3], ... - последовательность стягивающихся отрезков.
Рассмотрим последовательность a1, a2, a3, ... . Она монотонно возрастает и ограничена сверху числом b1 (так как отрезки вложенные). По теореме 17 существует предел этой последовательности.
Рассмотрим последовательность b1, b2, b3, ... . Она монотонно убывает и ограничена снизу числом a1 (опять-таки, потому что отрезки вложенные). По следствию теоремы 17 существует предел этой последовательности.
По условию lim (bn-an) = 0.
По теореме 10 имеем lim bn - lim an = lim (bn-an).
Значит, lim bn = lim an.
Обозначим этот предел буквой c.
По следствию из теоремы 11 для любого n имеем: an≤с и c≤bn.
Значит, c принадлежит каждому из вложенных отрезков.
Если бы существовало число d, не равное c и принадлежащее всем отрезкам, то длина отрезков не могла бы стать меньше |d-c|, что противоречит тому, что они стягивающиеся.
Следствие. Просто зафиксируем то, что мы уже сказали.
Последовательность левых концов стягивающейся системы отрезков сходится к общей точке.
Последовательность правых концов стягивающейся системы отрезков сходится к общей точке.
Теорема 19. Если последовательность сходится, то любая её подпоследовательность сходится к тому же пределу.
Пруф. Если интервал содержит почти все точки последовательности, то он содержит почти все точки любой подпоследовательности, очевидно.
Теорема 20 (Больцано-Вейерштрасс). Из любой ограниченной последовательности можно выбрать сходящуюся подпоследовательность.
Пруф. Пусть последовательность x1, x2, x3, ... ограничена.
По условию, существует отрезок [a;b] такой, что для всех n верно a ≤ xn ≤ b. Обозначим его символом M0.
Для каждого n символом Mn обозначим ту из половин отрезка M(n-1), в которой лежит бесконечно много членов последовательности. Получим стягивающуюся систему отрезков. По следствию теоремы Коши-Кантора последовательности левых и правых концов отрезков этой системы сходятся к одному и тому же пределу c.
Любое множество натуральных чисел имеет наименьший элемент. Это позволит построить подпоследовательность: из всех членов последовательности, входящих в Mn, выберем член с наименьшим номером и обозначим его как yn. Значит, an≤yn≤bn для любого n. По теореме о трёх милиционерах последовательность yn сходится, причём к пределу c.
Определение. Последовательность x1, x2, x3, ... называется фундаментальной, если для всякого ε>0 существует такой номер N, что для любого m>N и любого n>N верно, что |xm-xn|<ε.
Теорема 21 (критерий Коши). Чтобы последовательность сходилась, необходимо и достаточно, чтобы она была фундаментальной.
Пруф. Необходимость.
Пусть x1, x2, x3, ... сходится к x.
Пусть ε - некоторое положительное число.
Существует такой номер N, что для любого n>N верно |xn - x| < ε/2.
Но тогда для любых m,n>N верно, что |xn - xm| = |xn - x + x - xm| ≤ |xn - x| + |xm - x| < ε/2 + ε/2 = ε.
Достаточность. Пусть ε - произвольное положительное число.
Существует такой номер N, что для любого m>N и любого n>N верно, что |xm-xn|<ε.
Зафиксируем m > N. Для любого n>N верно, что -ε + xn < xm < ε + xn.
Положим a = min(x1, x2, ... , xN, xm-ε), b = max(x1, x2, ... , xN, xm+ε).
Тогда для любого n верно a ≤ xn ≤ b.
Значит, последовательность xn ограничена.
По лемме Больцано-Вейерштрасса, из неё можно выделить сходящуюся подпоследовательность yn.
Обозначим lim yn буквой c.
Существует такое число N1, что для любого n>N1 верно |yn - c| < ε/2.
Существует такое число N2, что для любых m,n>N2 верно |xm - xn| < ε/2 - по условию.
Положим N3 = max(N1,N2). Пусть z - какая-нибудь точка xn с номером большим N3.
Тогда для любого n>N3 имеем:
|xn-c| = |xn-z + z-c| ≤ |xn-z| + |z-c| < ε/2 + ε/2 = ε.
Это означает, что xn сходится, причём к тому же пределу, что и yn.
Ещё порция определений.
Число y называется пределом функции f в точке x0, если частью любой окрестности y является образ хотя бы одной выколотой окрестности x0. Обозначается lim f = y при x→x0.
На эпсилон-дельта языке это звучит так.
Предел функции по Коши: число y называется пределом функции f в точке x0, если для любого ε > 0 существует такое δ>0, что для всех x таких, что 0<|x-x0|<δ верно |f(x) - y|<ε.
Предел функции по Гейне: число y называется пределом функции f в точке x0, если для любой последовательности x1, x2, x3, ... , сходящейся к x0, соответствующая последовательность f(x1), f(x2), f(x3), ... сходится к y.
Кроме того, бывают пределы слева и справа.
Предел справа: lim f = y при x→x0-0, если для любого ε > 0 существует такое δ>0, что для всех x таких, что 0< x-x0 <δ верно |f(x) - y|<ε.
Предел слева: lim f = y при x→x0+0, если для любого ε > 0 существует такое δ>0, что для всех x таких, что 0< x0-x <δ верно |f(x) - y|<ε.
Из свойств модуля ясно, что предел является пределом слева и пределом справа.
Теорема 22. Число y является пределом функции f в точке x в смысле Коши тогда и только тогда, когда оно является пределом в смысле Гейне.
Пруф.
Пусть y - предел f в x0 по Коши.
Пусть ε - произвольное положительное число.
Существует такое δ>0, что для всех x таких, что 0<|x-x0|<δ верно |f(x) - y|<ε.
Пусть x1, x2, x3, ... сходится к x0.
Существует такой номер N, что для всех n>N верно, что |xn - x0|<δ.
Тогда для всех n>N верно, что |f(x) - y|<ε.
Таким образом, y - предел f в x0 по Гейне. Теперь докажем в обратную сторону.
Пусть y - предел f в x0 по Гейне.
Предположим, что y не является пределом f в x0 по Коши.
Тогда существует положительное число ε такое, что для любого δ>0 существует хотя бы одно такое x,
что 0<|x - x0|<δ и |f(x) - y|≥ε. Множество таких x обозначим как x(δ).
Рассмотрим последовательность множеств M1=x(0.1), M2=x(0.01), ... , Mn = x(10^-n), ...
Воспользуемся аксиомой выбора и получим последовательность y1, y2, y3, ...
Эта последовательность сходится к x0, так как в каждом Mn лежат почти все её члены.
Но число y не является пределом последовательности f(y1), f(y2), f(y3), ...
Это противоречит тому, что y - предел f по Гейне.
Значит, предположение ложно и y является пределом f в x0 по Коши.
Определение предела функции по Гейне моментально переносит на функции некоторые результаты, установленные для последовательностей. В случае функций R→R определения Гейне и Коши эквивалентны по теореме 22, чем будем невозбранно пользоваться.
Теорема 23. Постоянная функция f(x)=c имеет пределом число c в любой точке.
Пруф. Постоянная последовательность сходится. Используем определение Гейне.
Теорема 24. Если функции f и g имеют предел в точке x0, то сумма, разность, произведение и частное (когда оно осмысленно) этих функций имеет предел в точке x0, равный соответственно сумме, разности, произведению или частному.
Пруф. Согласно Гейне, докажем, например, для суммы.
Пусть lim f = a при x→x0, lim f = b при x→x0.
Пусть последовательность x1, x2, x3, ... сходится к x0.
Последовательность f(x1), f(x2), f(x3), ... сходится к a.
Последовательность g(x1), g(x2), g(x3), ... сходится к b.
Последовательность f(x1)+g(x1), f(x2)+g(x2), ... сходится к a+b.
Теорема 25. Если f имеет предел в точке x0, то она ограничена в некоторой окрестности точки x0.
Пруф. Пусть lim f = y при x→x0.
Пусть ε - произвольное положительное число, например, ε = 1. Рассмотрим ε-окрестность точки y.
Согласно Коши, существует такое положительное число δ, что для любого x из δ-окрестности числа x0 верно, что число f(x) лежит в ε-окрестности точки y.
Это означает, что в δ-окрестности числа x0 значения f сверху ограничены числом y+ε, снизу числом y-ε.
Теорема 26. Если в некоторой окрестности U точки x0 для некоторого числа b верно, что f(x) ≥ b, то lim f(x) ≥ b при x→x0.
Пруф. Согласно Гейне, для любой последовательности x1, x2, x3, ... последовательность f-образов сходится к некоторому пределу y. По условию, любой член последовательности f(x1), f(x2), f(x3), ... больше или равен b. По теореме 11, число y больше или равно b.
Теорема 27 (Вейерштрасс о монотонности). Если f монотонно возрастает и ограничена сверху на множестве M таких точек x, что x<a, то существует предел lim f(x) при x→a-0.
Пруф. Рассмотрим произвольную последовательность x1, x2, x3, ... точек M, сходящуюся к a.
Последовательность f(x1), f(x2), f(x3), ... монотонно возрастает и ограничена.
По теореме 17 (Вейерштрасс для последовательностей), она сходится.
Значит, для любой последовательности точек M, сходящейся к a, последовательность f-образов сходится к некоторому числу. Осталось доказать, что любые две последовательности f-образов сходятся к одному и тому же числу.
Допустим, что есть две последовательности p1, p2, p3, ... и q1, q2, q3, ... , сходящиеся к a.
Последовательность p1, q1, p2, q2, p3, q3, ... сходится к a по следствию из теоремы 1.
Значит, по вышесказанному последовательность f(p1), f(q1), f(p2), f(q2), ... сходится к некоторому пределу y.
По теореме 19, последовательности f(p1), f(p2), ... и f(q1), f(q2), ... сходятся к y.
Значит, последовательности f-образов любых двух последовательностей, сходящихся к a, сходятся к одному и тому же пределу.
Следствие. Аналогичные теоремы можно сформулировать для монотонно убывающей функции, а также для пределов слева.
Пруф. Доказательство повторяется дословно.
Теорема 28 (критерий Коши для функций). Для существования предела f в точке x0 необходимо и достаточно, чтобы для любого положительного числа ε существовала такая проколотая окрестность U числа x0, что для любых x1 и x2 из U выполнялось неравенство |f(x1)-f(x2)|<ε.
Пруф. Необходимость докажем по Коши, а достаточность по Гейне.
Необходимость. Пусть lim f = y при x→x0.
Пусть ε - произвольное вещественное число.
Существует проколотая окрестность U числа x0, f-образ которой содержится в (ε/2)-окрестности точки y.
Пусть x1 и x2 - две точки из U. Тогда верно, что |f(x1)-f(x2)| = |f(x1)-y+y-f(x2)| ≤ |f(x1)-y| + |f(x2)-y| < ε/2 + ε/2 = ε.
Достаточность. Пусть ε - произвольное вещественное число.
По условию теоремы, существует такая проколотая окрестность U числа x0, что для любых x1 и x2 из U выполняется неравенство |f(x1)-f(x2)|<ε.
Рассмотрим последовательность p1, p2, p3, ... , которая сходится к x0, причём члены последовательности не равны x0. В любой проколотой окрестности x0 лежат почти все точки этой последовательности.
Значит, в U лежат все точки этой последовательности, начиная с члена номер N.
Рассмотрим последовательность f-образов: f(p1), f(p2), f(p3), ...
Согласно вышесказанному, расстояние между любыми двумя её членами, начиная с N-го, меньше ε.
То есть она фундаментальна.
Значит, она сходится по критерию Коши для последовательностей.
Значит, для любой последовательности точек U, сходящейся к x0, последовательность f-образов сходится к некоторому числу. Осталось доказать, что любые две последовательности f-образов сходятся к одному и тому же числу.
Допустим, что есть две последовательности p1, p2, p3, ... и q1, q2, q3, ... , сходящиеся к x0.
Последовательность p1, q1, p2, q2, p3, q3, ... сходится к x0 по следствию из теоремы 1.
Значит, учитывая вышесказанное, последовательность f(p1), f(q1), f(p2), f(q2), ... сходится к некоторому пределу y.
По теореме 18, последовательности f(p1), f(p2), ... и f(q1), f(q2), ... сходятся к y.
Значит, последовательности f-образов любых двух последовательностей, сходящихся к x0, сходятся к одному и тому же пределу.
Согласно Гейне, это означает, что lim f = y при x→x0.
Теорема 29 (свойство Гейне-Бореля). Пусть A - отрезок, S - семейство интервалов и A - подмножество ∪S. Тогда существует такое конечное S'⊂S, что A - подмножество ∪S'.
Пруф. Теорема утверждает, что из любого покрытия отрезка интервалами можно выбрать конечное подпокрытие. Предположим, что теорема неверна: пусть A - отрезок, S - бесконечное множество интервалов, A является подмножеством объединения всех интервалов из S, но A не покрывается никаким конечным семейством интервалов из S. Применим к A метод деления пополам. Положим M0 = A, Mn - та из половин отрезка M(n-1), которая не покрывается никаким конечным семейством интервалов из S (на каждом шаге хотя бы одна из половин такова). Отрезки Mn образуют стягивающуюся систему. По теореме Коши-Кантора, существует точка c, принадлежащая всем Mn. Точка c покрывается хотя бы одним интервалом из S, обозначим его (a;b). Так как отрезки стягивающиеся, длины почти всех отрезков становятся меньше числа b-a, начиная с номера N. Но это значит, что все отрезки, начиная с N-го, покрываются всего лишь одним интервалом из N, - хотя по построению ни один из них никаким конечным множеством интервалов из S не покрывается. Значит, предположение было ложным и теорема верна.
Теорема 30. Если последовательность точек отрезка сходится, то её предел - точка отрезка.
Пруф. Предположим, что предел не является точкой отрезка. Тогда некоторая его окрестность не пересекается с отрезком. Но в ней должно лежать бесконечно много точек отрезка, что нелепо.
Теорема 29 утверждает, что отрезок "компактен".
Теорема 30 - что отрезок "секвенциально компактен".
Определение. Функция f называется непрерывной в точке x, если она определена в точке x и частью любой окрестности точки f(x) является f-образ некоторой окрестности точки x. В этом определении, в отличие от определения предела, речь идёт о невыколотой окрестности.
На эпсилон-дельта языке: функция f непрерывна в точке x0, если для любого ε > 0 существует такое δ>0, что для всех x таких, что |x-x0|<δ, верно |f(x) - f(x0)|<ε.
Функция непрерывна на множестве M, если она непрерывна во всех точках из M. Ясно, что если функция непрерывна на M, то она определена во всех точках M.
Теорема 31. Если функция f непрерывна в точке x0, то она имеет предел в этой точке и этот предел равен f(x0).
Пруф. Чтобы доказать теорему, достаточно заметить, что выколотая окрестность является подмножеством окрестности.
Теорема 32. Пусть функция f непрерывна в точке x0. Для любой последовательности, сходящейся к x0, соответствующая последовательность f-образов сходится к f(x0). Проще говоря, lim f(xn) = f(lim xn).
Пруф. Учитываем теорему 31, используем определение предела по Гейне.
Теорема 33. Если функция f непрерывна в точке x0, функция g непрерывна в точке f(x0), то функция g∘f непрерывна в x0. Проще говоря, композиция непрерывных функций непрерывна.
Пруф. Частью любой окрестности точки g(f(x0)) является g-образ некоторой окрестности U точки f(x0). Частью любой окрестности точки f(x0) является f-образ некоторой окрестности V точки x0. Тогда g∘f-образ множества V является частью U.
Теорема 34. Если f и g непрерывны в точке x0, то f+g, f×g и f/g непрерывны в x0 (частное - при условии, что в некоторой окрестности x0 функция g не обращается в нуль).
Пруф. Если функции непрерывны, то они имеют предел. Используем теорему 24.
Теорема 35 (первая теорема Больцано-Коши). Пусть функция f непрерывна на отрезке [a;b] и на концах отрезка принимает ненулевые значения разных знаков. Тогда существует точка c из этого отрезка, в которой f обращается в нуль, т.е. f(c) = 0.
Пруф. Пусть f(a) < 0, f(b) > 0.
Будем делить отрезок [a;b] пополам. M0 = [a;b], Mn - та из половин отрезка M(n-1), на левом конце которой функция f отрицательна, на правом положительна (если на очередном шаге на конце какого-то отрезка f равна нулю, то точка c найдена и доказательство окончено). Mn - стягивающаяся система отрезков. По свойству Коши-Кантора, у этих отрезков есть единственная общая точка c. Рассмотрим последовательность левых концов отрезков и последовательность правых концов. По следствию из теоремы Коши-Кантора, они сходятся к c, тогда по теореме 32 последовательность f-образов левых концов и последовательность f-образов правых концов сходятся к f(c). Так как каждый левый конец отрицателен, по теореме 11 заключаем, что f(c)≤0. Так как каждый правый конец положителен, заключаем, что f(c)≥0. Это возможно только тогда, когда f(c) = 0.
Аналогично рассуждаем, когда f(a) > 0, f(b) < 0.
Теорема 36 (вторая теорема Больцано-Коши). Пусть функция f непрерывна на отрезке [a;b]. Для любой точки y такой, что f(a)<y<f(b) существует точка x из отрезка [a;b] такая, что f(x) = y.
Пруф. Рассмотрим постоянную функцию h(x) = y. Ясно, что она непрерывна. Рассмотрим функцию g, определённую так: g(x) = f(x)-y. По теореме 34 она непрерывна как разность непрерывных. На концах отрезка [a;b] функция g принимает значения разных знаков. По первой теореме Больцано-Коши, в некоторой точке с она обращается в нуль. Значит, g(с) = f(с)-y=0. Но это означает, что f(c)=y.
Теорема 37 (первая теорема Вейерштрасса). Пусть функция f непрерывна на отрезке [a;b]. Тогда она ограничена на этом отрезке.
Пруф. Предположим, что функция f не ограничена сверху. Тогда для любого натурального числа n существует такая точка xn из [a;b], что f(xn)>n. То есть f(x1)>1, f(x2)>2, f(x3)>3 и т.д. Последовательность xn - ограниченная, так как все xn принадлежат отрезку. По теореме Больцано-Вейерштрасса, из последовательности xn можно выбрать сходящуюся подпоследовательность y1, y2, y3, ... Пусть y - предел yn. По теореме 30, y тоже является точкой отрезка. Значит, f непрерывна в y. Так как yn сходится к y, согласно теореме 32 утверждаем, что последовательность f(y1), f(y2), f(y3), ... сходится, причём к f(y). По теореме 8, последовательность f(yn) является ограниченной - то есть существует такое положительное число M, что все члены последовательности меньше M. Однако это невозможно. В самом деле, по аксиоме Архимеда существует натуральное число N, большее M. По построению для любого n>N верно, что f(xn) > n > N>M, значит, лишь конечное число членов f(xn) меньше M. Значит, почти все члены f(yn) больше M. Противоречие означает ложность предположения.
Аналогично доказывается ограниченность снизу.
Теорема 38 (вторая теорема Вейерштрасса). Пусть функция f непрерывна на отрезке [a;b]. Пусть M - f-образ отрезка [a;b]. Тогда существуют такие точки p и q из отрезка [a;b], что f(p) = sup M, f(q) = inf M. Проще говоря, супремум и инфимум непрерывной функции достигаются на этом отрезке.
Пруф. Существование супремума и инфимума M следует из первой теоремы Вейерштрасса и аксиомы непрерывности.
Определим последовательность левых ε-окрестностей sup M:
U1 = (sup M - 0.1; sup M), U2 = (sup M - 0.01; sup M), ... , Un = (sup M - 10^-n; sup M), ...
По теореме 16, в любой Un содержится образ хотя бы одной точки из [a;b].
Пусть Vn - множество всех точек из [a;b], образы которых лежат в Un.
Пользуясь аксиомой выбора, выберем из Vn последовательность x1, x2, x3, ...
Пользуясь теоремой Больцано-Вейерштрасса, выберем из xn сходящуюся подпоследовательность yn.
Пусть y = lim yn. По теореме 30, y - элемент отрезка [a;b].
По теореме 32, последовательность f(yn) сходится к числу f(y).
Так как каждый член f(yn) < sup M, имеем, что y ≤ sup M.
Согласно примеру 3, последовательность {sup M - 10^-n} сходится к sup M.
Так как каждый член f(yn) > sup M - 10^-n, по теореме о трёх милиционерах lim f(yn) равен sup M.
Аналочно для инфимума.
Определение. Функция f называется равномерно непрерывной на множестве M, если для любого положительного ε существует такое положительное δ, что для любых x и x' из множества M таких, что |x-x'|<δ, верно, что |f(x)-f(x')|<ε/2.
Теорема 39 (Кантор-Гейне). Если функция непрерывна на отрезке, то она равномерно непрерывна на нём.
Пруф. Рассмотрим отрезок [a;b], на котором непрерывна функция f.
Пусть ε - произвольное положительное число.
Для любой точки x из [a;b] существует такое положительное δx, что для любых двух точек отрезка x и x' из |x-x'|<δx вытекает |f(x)-f(x')|<ε.
Каждой точке x из [a;b] сопоставим интервал (x-(δx)/2; x+(δx)/2) - радиусом в половину соответствующей дельты.
Эти интервалы образуют покрытие [a;b]. По теореме Гейне-Бореля, из них можно выбрать конечное подпокрытие - интервалы U1, U2, ... , Un c радиусами r1, r2, ... , rn. Пусть r - наименьший из этих радиусов.
Пусть x и x' - такие точки из отрезка, что |x-x'|<r. Точка x должна принадлежать какому-то Uk - интервалу радиуса rk с центром в некоторой точке y. Тогда |y-x'| = |y-x + x-x'| ≤ |y-x| + |x-x'| < rk + r < 2rk = δy.
По определению символа δy, отсюда следует, что |f(x) - f(x')| = |f(x) - f(y) + f(y) - f(x')| ≤ |f(x) - f(y)| + |f(y) - f(x')| < ε/2 + ε/2 = ε.
Итак, требуемым для доказательства теоремы δ будет r.
Определение. Функция f называется разрывной в точке x, если она не является непрерывной в точке x.
Пусть f разрывна в x.
f имеет в x разрыв первого рода, если правый и левый пределы функции f в точке x существуют, но не равны друг другу.
f имеет в x разрыв второго рода, если хотя бы один из этих пределов не существует.
Теорема 40. Пусть f определена и монотонна на отрезке [a;b]. Тогда f не может иметь на этом отрезке разрывы второго рода.
Пруф. Функция f ограничена сверху числом f(b), снизу - числом f(a). Используем теорему Вейерштрасса о монотонности.
Теорема 41. Для того, чтобы монотонная функция f, определённая на [a;b], была непрерывной на [a;b], необходимо и достаточно, чтобы её значения заполняли отрезок [f(a); f(b)] сплошь - т.е. для любого y из [f(a); f(b)] существовал x из [a;b] такой, что f(x)=y.
Пруф. Необходимость. Пусть функция f монотонна на [a;b] и заполняет [f(a);f(b)] сплошь; для определённости монотонно возрастает. Предположим, что f не непрерывна. Тогда она имеет разрыв в хотя бы одной точке x0, причём по теореме 40 - первого рода. Рассмотрим интервал (lim f при x→x0-0; lim f при x→x0+0). В силу монотонности, f не заполняет этот интервал, что противоречит тому, что она заполняет [f(a);f(b)] сплошь.
Достаточность. Пусть монотонная функция f непрерывна на [a;b]. Тогда она заполняет отрезок [f(a); f(b)] сплошь: f(a) и f(b) достигаются по второй теореме Вейерштрасса, промежуточные значения достигаются по второй теореме Больцано-Коши.
Теорема 42. Пусть функция f определена, непрерывна и строго монотонно возрастает на отрезке [a;b]. Тогда на отрезке [f(a);f(b)] определена функция f', которая непрерывна, строго монотонно возрастает и является обратной к f.
Пруф. По теореме 41, f заполняет [f(a);f(b)] сплошь, т.е. для любого y из [f(a); f(b)] существует x из [a;b] такой, что f(x)=y. В силу строгой монотонности, такой x единствен. Положим f'(y) = x.
Пусть y1<y2. Это значит, что y1=f(x1), y2=f(x2) и x1 < x2. То есть f'(y1)<f'(y2), что и означает монотонность f'.
Так как значения f' заполняют [a;b] сплошь, по теореме 41 функция f' непрерывна.