Предел (математика)

Преде́л — одно из основных понятий математического анализа, на него опираются такие фундаментальные разделы анализа, как непрерывность, производная, интеграл, бесконечные ряды и др. Различают предел последовательности и предел функции[1].

Понятие предела на интуитивном уровне использовалось ещё во второй половине XVII века Ньютоном, а также математиками XVIII века, такими как Эйлер и Лагранж. Первые строгие определения предела последовательности дали Больцано в 1816 году и Коши в 1821 году.

История

Обоснование термина

Операция взятия предела в математическом анализе называется предельным переходом[2]. Интуитивное понятие о предельном переходе использовалось ещё учеными Древней Греции при вычислении площадей и объёмов различных геометрических фигур. Методы решения таких задач в основном были развиты Архимедом.

При создании дифференциального и интегрального исчислений математики XVII века (и, прежде всего, Ньютон) также явно или неявно использовали понятие предельного перехода. Впервые определение понятия предела было введено в работе Валлиса «Арифметика бесконечных величин» (XVII век), однако исторически это понятие не лежало в основе дифференциального и интегрального исчислений.

Лишь в XIX веке в работах Коши теория пределов была использована для строгого обоснования математического анализа. Дальнейшей разработкой теории пределов занимались Вейерштрасс и Больцано.

С помощью теории пределов в первой половине XIX века было, в частности, обосновано использование в анализе бесконечных рядов, которые явились удобным аппаратом для построения новых функций[3].

Символ предела

Общепринятый символ предела ${\displaystyle \lim _{x\to a}f(x)}$ был предложен Симоном Люилье (1787 год) в следующем формате: ${\displaystyle \operatorname {lim.} x:a;}$ это обозначение получило поддержку Коши (1821). Точка после lim вскоре исчезла[4]. Близкое к современному обозначение предела ввёл Вейерштрасс, хотя вместо привычной нам стрелки он использовал знак равенства: ${\displaystyle \operatorname {Lim} _{x=a}}$[5]. Стрелка появилась в начале XX века сразу у нескольких математиков[6].

Обозначения для одностороннего предела вида ${\displaystyle \lim _{x\to a+0}f(x)}$ первым предложил Дирихле (1837) в виде: ${\displaystyle f(a+0),f(a-0).}$ Мориц Паш (1887) ввёл другие важные понятия — верхнего и нижнего предела, которые записывал в виде: ${\displaystyle \lim \sup }$ и ${\displaystyle \lim \inf }$ соответственно. За рубежом эта символика стала стандартной, а в отечественной литературе преобладают другие обозначения: ${\displaystyle \varlimsup _{n\to \infty }x_{n},\ \varliminf _{n\to \infty }x_{n},}$ введенные Альфредом Прингсхаймом в 1898 году[7].

Предел последовательности

Основная статья: Предел последовательности

Пределом последовательности называют объект, к которому члены последовательности в некотором смысле стремятся или приближаются с ростом порядкового номера.

Число ${\displaystyle a}$ называется пределом последовательности ${\displaystyle x_{1},x_{2},...,x_{n},...}$, если

${\displaystyle \forall {\text{ }}\varepsilon >0{\text{, }}\exists {\text{ }}N(\varepsilon ){\text{, }}\forall {\text{ }}n>N(\varepsilon ){\text{ }}{\text{ }}|x_{n}-a|<\varepsilon }$.

• ${\displaystyle \forall }$ — квантор всеобщности;
• ${\displaystyle \exists }$ — квантор существования.

Предел последовательности обозначается ${\displaystyle \lim _{n\to +\infty }x_{n}}$. Допускается обозначение ${\displaystyle \lim x_{n}}$.^[источник не указан 1381 день]

Свойства:

• Если предел последовательности существует, то он единственный.
• ${\displaystyle \lim c=c}$${\displaystyle ,\,c={\rm {const}}.}$
• ${\displaystyle \lim(x_{n}+y_{n})=\lim x_{n}+\lim y_{n}}$ (если оба предела существуют)
• ${\displaystyle \lim(qx_{n})=q\lim x_{n}}$ ${\displaystyle ,\,q={\rm {const}}.}$
• ${\displaystyle \lim(x_{n}y_{n})=\lim x_{n}\lim y_{n}}$ (если оба предела существуют)
• ${\displaystyle \lim(x_{n}/y_{n})=\lim x_{n}/\lim y_{n}}$ (если оба предела существуют и знаменатель правой части не ноль)
• Если ${\displaystyle a_{n}>x_{n}>b_{n}\forall n}$ и ${\displaystyle \lim a_{n}=\lim b_{n}}$ , то ${\displaystyle \lim x_{n}=\lim a_{n}=\lim b_{n}}$ (теорема «о зажатой последовательности», также известная, как «теорема о двух милиционерах»)

Предел функции

График функции, предел которой при аргументе, стремящемся к бесконечности, равен ${\displaystyle L}$.

Основная статья: Предел функции

Функция ${\displaystyle f(x)}$ имеет предел ${\displaystyle A}$ в точке ${\displaystyle x_{0}}$, если для всех значений ${\displaystyle x}$, достаточно близких к ${\displaystyle x_{0}}$, значение ${\displaystyle f(x)}$ близко к ${\displaystyle A}$.

Число b называется пределом функции ${\displaystyle f(x)}$ в точке ${\displaystyle a}$, если ${\displaystyle \forall \varepsilon >0}$ существует ${\displaystyle \delta >0}$, такое что ${\displaystyle \forall x,0<|x-a|<\delta }$ выполняется ${\displaystyle |f(x)-b|<\varepsilon }$.

Для пределов функций справедливы свойства, аналогичные пределам последовательностей, например, ${\displaystyle \lim _{x\to x_{0}}(f(x)+g(x))=\lim _{x\to x_{0}}f(x)+\lim _{x\to x_{0}}g(x)}$ — предел суммы равен сумме пределов, если все пределы существуют.

Понятие предела последовательности на языке окрестностей

Пусть ${\displaystyle X}$ — некоторое множество, на котором определено понятие окрестности ${\displaystyle U}$ (например, метрическое пространство). Пусть ${\displaystyle x_{i}\in X}$ — последовательность точек (элементов) этого множества. Говорят, что ${\displaystyle x\in X}$ есть предел этой последовательности, если вне любой окрестности точки ${\displaystyle x}$ лежит конечное число членов последовательности, или ${\displaystyle \forall {\text{ }}U(x){\text{ }}\exists {\text{ }}n,{\text{ }}\forall {\text{ }}i>n{\text{ }}{\text{ }}x_{i}\in U(x)}$

Замечательные пределы

Основная статья: Замечательные пределы

Замечательные пределы — термины, использующиеся в советских и российских учебниках по математическому анализу для обозначения двух широко известных математических тождеств со взятием предела:

• Первый замечательный предел:

  ${\displaystyle \lim _{x\to 0}{\frac {\sin x}{x}}=1.}$

• Второй замечательный предел:

  ${\displaystyle \lim _{x\to \infty }\left(1+{\frac {1}{x}}\right)^{x}=e.}$

Замечательные пределы и их следствия используются при раскрытии неопределённостей для нахождения других пределов.

Вариации и обобщения

• Ультрапредел — конструкция, позволяющая определить предел для широкого класса математических объектов. В частности, она работает для числовых последовательностей и последовательностей точек в метрическом пространстве, допускает обобщения на последовательности  метрических пространств и последовательности функций на них. Эта конструкция часто используется, чтобы избежать многократного перехода к подпоследовательности. Эта конструкция использует существование неглавного ультрафильтра, доказательство которого в свою очередь использует аксиому выбора.

См. также

• Частичный предел
• Фундаментальная последовательность
• Ряд
• Неопределённости пределов
• Сравнение бесконечно малых величин
• Последовательность
• Список пределов

Примечания

1. Математическая энциклопедия, 1984, с. 556.
2. Хинчин А. Я. Восемь лекций по математическому анализу. — М.— Л., Гостехиздат, 1948. — С. 14
3. Цыпкин А. Г. Справочник по математике. — М.: «Наука», 1983.
4. Хайрер Э., Ваннер Г. Математический анализ в свете его истории. — М.: Научный мир, 2008. — 396 с. — ISBN 978-5-89176-485-9. — С. 172.
5. Юшкевич А. П. Развитие понятия предела до К. Вейерштрасса // Историко-математические исследования. — М.: Наука, 1986. — № 30. — С. 76.
6. Александрова Н. В. История математических терминов, понятий, обозначений: Словарь-справочник. — 3-е изд. — СПб.: ЛКИ, 2008. — С. 133—135. — 248 с. — ISBN 978-5-382-00839-4.
7. Cajori F. A History of Mathematical Notations. Vol. 1 (1929 reprint), §631—637. — NY: Cosimo, Inc., 2007. — xvi + 456 p. — ISBN 978-1-60206-684-7.

Литература

• Предел // Математическая энциклопедия (в 5 томах). — М.: Советская энциклопедия, 1984. — Т. 4.