הרצאות אינפי א התשע"ד - המכללה האקדמית נתניה
Transcription
הרצאות אינפי א התשע"ד - המכללה האקדמית נתניה
שעורי אינפי א' התשע"ד שם המורה:ד"ר גיורא דולה הישר הממשי קבוצת המספרים הטבעיים מסומנת והיא כוללת את המספרים 3,2,1 וכן הלאה .מסמנים } {1, 2,3,וזהו סימון מקובל של תורת הקבוצות. קבוצת הטבעיים ,למרות היותה פשוטה וטבעית ,לא מספיקה לצרכינו. למשל למשואה 3+x=1אין פתרון שהוא מספר טבעי .לכן יש צורך להוסיף את 0ואת המספרים השליליים ,ומקבלים } . {0, 1, 2, 3, הקבוצה החדשה נקראת קבוצת המספרים השלמים .קבוצת השלמים כוללת בחובה את קבוצת הטבעיים כתת קבוצה (קבוצה חלקית) .הסימון לקבוצה חלקית הוא , ויש מקומות שמסמנים . ליחס בין קבוצה ובין קבוצה גדולה יותר קוראים יחס ההכלה בין קבוצות .כאשר יש כזו הכלה (וגם במקרים כלליים יותר) ,ניתן לחשוב על קבוצת כל האיברים שהם בקבוצה הגדולה אך לא נמצאים בקבוצה הקטנה יותר .לקבוצה החדשה קוראים המשלים של הקבוצה הקטנה בתוך הקבוצה הגדולה .למשל המשלים של הטבעיים בתוך הטבעיים מסומנים ומוגדרים על ידי } {0, 1, 2, 3, . גם קבוצת השלמים איננה מספיקה ,ולמשל למשואה 3x=1אין פתרון שהוא מספר שלם .לכן נאלצים להוסיף את כל השברים ומגדירים את קבוצת המספרים הרציונליים ,שהיא קבוצת כל המספרים שהם מנות m של שני שלמים ,וכאשר המכנה שונה מ .0-נסמן }} { , m , n {0 n .אז כל מספר שלם ניתן לראות כמספר רציונלי בעל מכנה שהוא .3 לכן ישנה הכלה . קבוצת המספרים הרציונליים היא מבנה אשר באלגברה נקרא שדה .למספרים הטבעיים ולמספרים השלמים אין מבנה של שדה. נתון רבוע שאורך הצלע שלו הוא .3ידוע כי אורך אלכסון של הרבוע הוא .√2התוצאה הבאה היתה ידועה ליוונים כבר בעת העתיקה. משפט √2איננו רציונלי .נסוח אחר :לכל שני מספרים שלמים n( m,nשונה מ- 2 ,)0מתקיים כי m 2. n . הוכחה ההוכחה מסתמכת על העובדה שכל מספר רציונלי a/bניתן להצגה בתור שבר ,c/dכאשר c,dזרים בזוגות ,כלומר המספר היחיד המחלק את c ואת dהוא .±3להצגה הזו נקרא הצגה זרה. נניח בשלילה שיש מספר רציונלי שרבועו הוא ,2ונעבור להצגה זרה .אם נגיע לסתירה אז נצטרך לשלול את זה שיש שיש מספר שרש רציונלי ל,2- כלומר כל סתירה תוכיח את המשפט .אז נעבור להצגה זרה של .√2 כלומר מניחים שיש טבעיים זרים m,nכך ש .(m/n)2=2נעביר אגפים ונקבל כי .m2=2n2 קימות עבור mשתי אפשרויות .או שהוא זוגי או אי זוגי .אם mהיה איזוגי אז גם m2היה אי זוגי .זה היה סותר את השויון ,m2=2n2כיון שאגף ימין מתחלק ב.2- לכן mחיב להיות זוגי .לכן חיב להיות kטבעי כך שמתקיים ,m=2kולכן .m2=4k2נציב ונקבל . 2n2=m2=4k2ולכן נצמצם ונקבל .n2=2k2 שוב עבור nקימות שתי אפשרויות זוגי ואי זוגי ,ולכן הוא חיב להיות זוגי. קבלנו סתירה כי גם mוגם nחיבים להיות זוגיים ,ולכן הם אינם זרים בסתירה לכך שהם נבחרו להיות זרים. מסקנה שורש 2הוא איננו מספר רציונלי. המספרים הממשיים נשלים את המספרים הרציונליים על ידי הוספת שרש ,2שרש 1ועוד ונקבל את המספרים הממשיים המסומנים באות .Rנקבל הכלה של . נקבל גם } { 2, 3, 2 2, , e .המשלים היא קבוצות קבוצה אינסופית ורשמנו רק חלק מאיבריה. הישר הממשי נציר ישר ונסמן עליו שתי נקודות שתסומנה 0ו .3אז לכל נקודה על הישר מתאים מספר ממשי ,ונאמר שהישר הוא הישר הממשי. קטעים ,קרניים נתונים שני מספרים ממשיים .a<bנסמן בסימון ] [a.bאת קבוצת כל המספרים הממשיים אשר הם גדולים או שוים ל a-וקטנים שוים ל,b- ובסימונים } . [a, b] {x, a x bהקבוצה ] [a,bקרויה הקטע הסגור בין a ו.b- עבור a<bמוגדר גם הקטע הפתוח ,על ידי } . (a, b) {x, a x bנשים לב כי }. [a, b] (a, b) {a, b ובאותה מידה מוגדרים קטעים חצי פתוחים וחצי סגורים, } (a, b] {x, a x bוגם } . [a, b) {x, a x bנשים לב כי }[a, b] (a, b] {a }. [a, b] [a, b) {b} (a, b] (a, b) {b} [a, b) (a, b) {a קרנים הן מושג דומה ,ומוגדרות כך } . [a, ) {x, a xנקראת קרן סגורה, } (a, ) {x, a xנקראת קרן פתוחה . (, a] {x, x a} ,נקראת קרן סגורה ,ו } (, a) {x, x aנקראת קרן פתוחה .עוד נשים לב לקשרים שכאלו ] . [a, ) (, b] [a, bיש עוד אבל כתבנו רק חלק. קבוצה ממשית קבוצה Aתקרא קבוצה ממשית אם היא חלקית לקבוצה . חסימות קבוצה ממשית Aתקרא חסומה מלעיל (בארמית מלמעלה) אם קים מספר ממשי Mכך שמתקיים ) . ( x A) ( x Mאם לא קים כזה M אומרים כי Aאיננה חסומה מלעיל M .קרוי חסם מלעיל של .A קבוצה ממשית Aתקרא חסומה מלרע (בארמית מלמטה) אם קים מספר ממשי Kכך שמתקיים ) . ( x A) ( K xאם לא קים כזה Kאומרים כי Aאיננה חסומה מלרע K .קרוי חסם מלרע של .A קבוצה ממשית Aתקרא חסומה אם היא חסומה מלעיל ומלרע. דוגמאות כל הקטעים בין aל , b-בין אם הם פתוחים או סגורים או חצי פתוחים וחצי סגורים ,חסומים מלעיל על ידי bוחסומים מלרע על ידי .a הקרניים ) [a, ), (a, חסומות מלרע על ידי aואינן חסומות מלעיל. הקרניים )(, b],(, b חסומות מלעיל על ידי bואינן חסומות מלרע. הטבעיים היא קבוצה חסומה מלרע על ידי 0אך לא חסומה מלעיל. היא קבוצה חסומה מלעיל על ידי 0אך לא חסומה מלרע. חסמים עליונים ותחתונים. אם Mהוא חסם מלעיל של הקבוצה הממשית ,Aאז גם M+1הוא חסם מלעיל .השאלה הקשה יותר היא האם קים חסם מלעיל של Aהקטן מ- .Mאותה שאלה קימת עבור חסם מלרע .אם Kחסם מלרע של ,Aהאם קים לו חסם מלרע גדול ממנו. אקסיומת השלמות. א .נתונה קבוצה ממשית חסומה מלעיל .Aאז קבוצת חסמי המלעיל של Aמכילה אבר קטן ביותר ,כלומר חסם מלעיל שכל מספר שקטן ממנו איננו חסם מלעיל .חסם זה נקרא חסם עליון של A ובלועזית .supremum ב .נתונה קבוצה ממשית חסומה מלרע .Aאז קבוצת חסמי המלרע של Aמכילה אבר גדול ביותר .חסם זה נקרא חסם תחתון ובלועזית .Infimum אקסיומת אוקלידס. לכל מספרים ממשיים חיוביים a,bקים מספר טבעי nכך שמתקיים .b<na הוכחה כי אקסיומת אוקלידס נובעת מאקסיומת השלמות. נניח בשלילה כי אקסיומת אוקלידס לא מתקיימת ונגיע למסקנה כי אקסיומת השלמות לא מתקיימת. ואכן נניח בשלילה כי קימים a,bממשיים חיוביים כך שלכל nטבעי .na≤bנגדיר את הקבוצה } .C={na,n⋲Nאז Cקבוצה ממשית ו bהוא חסם מלעיל שלה ,ולכן לפי אקסיומת השלמות יש לה חסם עליון .dאם נראה כי d-aגם הוא חסם מלעיל של Cנקבל סתירה כיון ש dאמור להיות קטן ביותר .כיון ש dחסם מלעיל לכל nמתקיים כי (n+1)a⋲C ולכן (n+1)a≤dולכן לכל nמתקיים ,na≤d-aכלומר אכן d-aחסם מלעיל של Cהקטן מ ,dסתירה. סדרות סדרה היא פונקציה . את ההגדרה נבין אחרי שנדון בנושא הפונקציות ,בעתיד .בינתיים נסתפק בעובדה שבכל סדרה יש אבר ראשון, שני שלישי וכן הלאה .האבר הראשון יסומן ,a1השני ,a2וכן הלאה. נסמן את איברי הסדרה במישור ,כאשר נסמן את הנקודה anכך ש ,x=n ו.y= an חסימות סדרות. הסדרה } { anנקראת חסומה אם קבוצת ה– y-ים שלה חסומה .כנ"ל מוגדרת סדרה חסומה מלעיל ומלרע. דוגמאות הסדרה an=nחסומה מלרע אך לא מלעיל. הסדרה bn=-nחסומה מלעיל אך לא מלרע. הסדרה cn=(-1)nnלא חסומה מלרע ולא מלעיל. הסדרה dn=1/nחסומה מלרע ומלעיל. עליה וירידה של סדרות נגיד כי הסדרה } { anעולה ,אם לכל nמתקיים . an <an+1נגיד כי הסדרה } { anעולה במובן הרחב אם לכל nמתקיים . an ≤an+1נגיד כי הסדרה } { anעולה החל ממקום מסוים אם קים ,0<Kכך שלכל K<n מתקיים . an <an+1נגיד כי הסדרה } { anעולה במובן הרחב החל ממקום מסוים אם קים ,0<Kכך שלכל K<nאם לכל nמתקיים . an ≤an+1 כל ההגדרות הבאות תקפות גם לסדרות יורדות כאשר התנאי הדרוש הוא an+1 ≤an דוגמאות .3הסדרה an=nעולה. .2הסדרה an=0,1,1,2,2,3,3,עולה במובן הרחב .אחרי שנלמד אודות פונקצית הערך השלם נוכל לכתוב את הנוסחה .1הסדרה n n n an 2 . יורדת ממקום מסוים ,ואכן נקבל כי a1 1 1, a2 2 1.414, a3 3 1.44229, a4 4 2 a2 , a5 5 1.379 2 5 4 2 3 1 .כלומר .K=3 גבול של סדרה אחד המושגים החשובים בחשבון אינפיניטיזימלי הוא מושג הגבול של סדרה .הסימון המקובל an L limהוא ,ומיד ניתן ונסביר את ההגדרה n המדויקת ,אך נתחיל עם הגדרה אינטואיטיבית ודוגמאות. הגרף של הסדרה 1 n an הוא חלק מהגרף של הפונקציה 1 x f ( x) , ורואים לפי אופי הגרף כי ככל ש nהולך וגדל y ,מתקרב ל.0- הגרף של הסדרה 1 n an הוא חלק מהגרף של הפונקציה 1 x f ( x) ,וגם כאן רואים לפי אופי הגרף כי ככל ש nהולך וגדל y ,מתקרב ל.0- לגרף של הסדרה (1) n n an קשה יותר למצוא פונקציה ממשית שהוא חלק ממנה .כאן הגרף מורכב כך שחצי מהנקודות שלו הן מתוך הגרף הקודם ,וחצי אחר מהגרף שלפני הקודם ,ולכן גם כאן ככל ש nהולך וגדל, yמתקרב ל .0-ואגב הגרף של הסדרה הוא חלק מהגרף של הפונקציה (1 2n) ) 2 x (sin . f ( x) דוגמא של סדרה חסרת גבול ,נביט על . an (1)nאז עבור אינסוף -nים ערך ה -yשל הסדרה הוא ,3ועבור אינסוף ערכים אחרים הוא ,-1ולכן אין ערך יחיד של yשאליו הסדרה מתקרבת בגובה. הערך המוחלט של ,xהמסומן | ,|xמוגדר כמרחק שבין xוראשית הצירים .יש לערך מוחלט התכונות הבאות: .x=0 א|x|=0 ,0≤|x| . ב.|xy|=|x||y| . ג( .אי שויון המשולש) |.|x+y|≤|x|+|y .-a≤x≤a ד|x|≤a . נביט באי השויון .|x-L|<ε :הוא שקול לאי השויון - ε <x-L< εאשר שקול לאי השויון .L- ε <x< L+ε דוגמאות לסדרות מתכנסות ומבוא להגדרת הגבול. הסדרות 1 1 1 an , bn 2 , cn n n n 2 שלשתן מתכנסות לגובה .3נגדיר .L=1,ε=0.01אז אי השויון .|x-L|<εשקול לאי השויון 0.99 <x<1.01 .עבור הסדרה הראשונה אי השויון איננו מתקיים עבור 300האיברים הראשונים ,אך מתקיים עבור כל האיברים מ 303ואילך .עבור הסדרה השניה אי השויון איננו מתקיים עבור 30האיברים הראשונים אך מתקיים עבור כל האיברים מ 33ואילך ,ועבור השלילשית לא מתקיים עבור 6הראשונים וכן עבור השביעי ואילך. כעת נכתוב את ההגדרה הבאה: ]) [lim an L] [ 0, K 0,(n K ) (| an L | n כלומר ,עבור כל אפסילון חיובי יש Kמספר סופי של איברים שאולי לא מקיימים את אי השויון ,אבל כל האיברים החל מהאיבר ה ,3+K-כן מקיימים את אי השויון .המספר Kתלוי בסדרה aאו bכפי שראינו קודם ,אבל גם באפסילון .ככל שאפסילון קטן ,המספר Kגדל ,כי יש יותר איברים שלא מקימים את אי השויון. טענה נתון קבוע ממשי cונתונה הסדרה הקבועה .an=cאז מתקיים an c . lim n הוכחה כיון שלכל ,an–c=0 ,nהרי שלכל ,ε>0אי השויון | an c | 0 מתקיים לכל ,nכלומר ללא פסולים. משפטי אריתמטיקה של גבולות משפט (חבור) נתונות שתי סדרות lim an L, lim bn M , an , bnונתון כי an bn ) L M (. lim n הוכחה צריך להראות כי ]) . 0, K 0,(n K ) (| (an bn ) ( L M ) | יהי נתון . 0אז לפי הנתון (עבור ) / 2נובע כי קים K1כך ש ) . (n K1 ) (| an L | / 2באותה צורה נובע כי קים K2כך ש ) . (n K2 ) (| bn M | / 2נגדיר } . K=max{K1,K2אז מתקיים כי n n ,אז נובע כי (n K ) (| an L | / 2) (| an L | / 2) ) (| (an bn ) ( L M ) || (an L) (bn M ) || (an L) | | (bn M ) | / 2 / 2 , כדרוש. משפט (חסור) נתונות שתי סדרות , an , bnונתון כי an bn ) L M (. lim n הוכחה (תרגיל הביתה להגשה) lim an L, lim bn M n n ,אז נובע כי חסימות סדרה מתכנסת נתונה סדרה , anונתון כי lim an L n ,אז נובע כי . anהיא חסומה. הוכחה מתקיים לפי ההגדרה ) . 0, K 0,(n K ) (| an L | נבחר . 1 אז ) . K 0,(n K ) (L 1 an L 1נגדיר }. M Max{a1, a2 , , aK , L 1 אז לכל nמתקיים . an Mבצורה דומה נגדיר }. J Min{a1, a2 , , aK , L 1 אז לכל nמתקיים . J anלכן Mהוא חסם מלעיל ו Jהוא חסם מלרע של הסדרה ,והיא אכן חסומה. משפט (מכפלה) lim an L, lim bn M נתונות שתי סדרות , an , bnונתון כי anbn ) LM (. lim n הוכחה צריך להראות כי ]) . 0, K 0,(n K ) (| (anbn ) ( LM ) | יהי נתון 0כלשהו .לפי טענה קודמת הסדרה anחסומה ,ולכן יש מספר חיובי Jכך שמתקיים לכל J an J nאו מה ששקול | . an | Jלפי הגדרת n הגבול ) 2M ) 2J K1 0,(n K1 ) (| an L | n ,אז נובע כי ,וגם לפי הגדרת הגבול . K2 0,(n K2 ) (| bn M |נגדיר } .K=max{K1,K2אז מתקיים כי עבור ,n>K | (anbn ) ( LM ) || anbn an M an M LM || an (bn M ) (an L) M | J M 2J 2M | an || bn M | | (an L) M | J | bn M | M | an L | כדרוש. משפט (הפכי) נתונה סדרה , anונתון כי an L limוכי Lוכל איברי הסדרה (החל n ממקום מסוים) שונים מ , .0-אז נובע כי החל ממקום מסוים מוגדרת הסדרה 1 an ומתקיים כי 1 1 an L . lim n הוכחה צריך להראות כי 1 1 ) | an L |( . 0, K 0,(n K ) יהי נתון . 0 L L L בה"כ נניח כי .0<Lעבור an L ) 0 2 2 2 L 3L ולכן עבור אותם n-ים מתקיים an ועבור אותם -nים 2 2 2 L 2 1 2 כלומר הסדרה החדשה חיובית וחסומה .עבור 0 3L an L 2 K1 0,(n K1 ) ( L L2 ) 2 K2 0,(n K2 ) (| an L |נגדיר } .K=max{K1,K2אז עבור K<n | an L | 2 | an L | 2 L2 1 1 1 || | ( L an ) | ) 2 an L Lan Lan LL 2L מתקיים: משפט (מנה) נתונות שתי סדרות , an , bnונתון כי כי an L ) bn M lim an L, lim bn M , M 0 n n ,אז נובע (. lim n הוכחה 1 bn לפי משפט ההפכי הסדרה הסדרות 1 bn מתכנסת לגבול 1 M ,ולפי משפט המכפלה בין , an ,נובע המשפט. דוגמא לשמוש משפט האריתמטיקה של גבולות חשב את הגבול של הסדרה n 2 3n 1 4n 2 5n 6 תשובה n2 3n 1 3 1 1 11 1 2 1 3 2 n 3n 1 n n n n nn , 2וקבלנו כי 4n 5n 6 4n 2 5n 6 4 5 6 4 5 1 6 1 1 n n2 n nn n2 2 מתקיים כי הסדרה הנתונה היא חבור חסור כפל וחלוק של הסדרות הקבועות ,an=1,3,5,6ושל הסדרה 1 n an .הגבולות של הסדרות הקבועות הן הקבועים המתאימים ,והגבול של הסדרה 1 n הוא ,0ולכן הגבול של הסדרה המבוקשת הוא אותן פעולות אלגבריות בין הגבולות של כל מרכיב ונקבל 1 11 1 3 n 2 3n 1 n n n 1 3 0 0 0 1 lim 2 lim n 4n 5n 6 n 1 1 1 4 50 600 4 45 6 n nn משפט וירשטרס אודות סדרה מונוטונית א .נתונה סדרה אשר עולה במובן הרחב וחסומה .אז היא מתכנסת לחסם העליון שלה. ב .נתונה סדרה אשר יורדת במובן הרחב וחסומה .אז היא מתכנסת לחסם התחתון שלה. הוכחה נוכיח רק את א והוכחת ב היא תרגיל להגשה הביתה. נניח כי anהיא סדרה עולה במובן הרחב וכי Mהוא החסם העליון שלה ויהי נתון . 0אז מתקיים , M Mולכן M איננו חסם מלעיל של הסדרה ולכן יש איבר של הסדרה ,כלומר Kטבעי כך שמתקיים . M aK Mאז לפי העליה של הסדרה ,לכל n>Kמתקיים כי M aK an M M כדרוש. אי שויון הממוצעים נתונים nמספרים אי שליליים .a1,a2,…,anאז מתקיים אי השויון n n a a k k 1 k k 1 n . הבטוי הגדול קרוי הממוצע החשבוני והבטוי הקטן קרוי הממוצע ההנדסי של האיברים הנתונים. הסבר והוכחה עבור המקרה .n=2 נסמן .a1=a,a2=bאז הטענה היא כי ab 2 . ab הוכחה ab ) ) (2 ab a b) (4ab a 2 2ab b2 ) (0 a 2 2ab b 2 ) (0 (a b)2 2 טענה ( ab אם אי שויון הממוצעים מתקיים לכל קבוצה של nאיברים ,אז הוא מתקיים לכל קבוצה של 2nאיברים. הוכחה נניח כי a1, a2 , an , an1, , a2nהיא קבוצה של 2nאיברים אי שליליים .אז נשים לב כי a 2n an n an1an 2 2 a 2n a1a2 n an an1 an 2 2n a 2n an n an1an 2 a1 a2 a 2n a1a2 n a2 n an1 an 2 n 2 an an1 an a1a2 2n a1 a2 n מסקנה :אי שויון הממוצעים מתקיים לכל קבוצה בת 2nאיברים. טענה נניח כי נתונים מספרים טבעיים m,nכך ש .m<nאם אי שויון הממוצעים מתקיים לכל קבוצה של nמספרים אי שליליים ,אז הוא מתקיים לכל קבוצה של mמספרים אי שליליים. הוכחה a1 a2 am נתונה קבוצה של מספרים אי שליליים a1, a2 , amנסמן m נביט בקבוצה בת nהאיברים האי שליליים a1, a2 , am , b, b, , bונפעיל b עליה את אי שויון הממוצעים ,ונקבל a1 a2 am b b n mb (n m)b b n . n a1a2 amb b נפעל על האגפים ונקבל n a1a2 am n bnmונמשיך m n b n bm ונמשיך a1 a2 am m כדרוש מסקנה am b am bm m a1a2 a1a2 m 1 n am bb a1a2 n אי שויון הממוצעים מתקיים לכל nאיברים אי שליליים. טענה 1 n הסדרה an (1 )nעולה (במובן הרחב). הוכחה נביט על n+1האיברים אשר nמהם שוים ל ,1+1/nוהאחרון שוה ל.3- נפעיל עליהם את אי שויון המשולש .אז סכומם הוא ,n+2ומכפלתם היא .(1+1/n)nלכן נקבל כי n2 1 1 n1 (1 )n (1 ) n 1 n n 1 1 n , n1 (1 )n כדרוש. n נגדיר את הסדרה 1 ! k 1 k . bn 1 כמה מאיברי הסדרה הם 8 b1 2, b2 2.5, b3 , 3 טענה לכל nמתקיים . an bn הוכחה n 1 n 1 1 !n n(n 1) (n k 1) 1 1 an (1 )n 1k ( )nk , 1k ( )nk nk n n k !(n k )!n nnn n !k! k k 0 k k n n 1 n נגדיר את הסדרה 11 , 4 1 k k 0 2 . cn 1 c1 2, c2 2.5, c3 טענה לכל nמתקיים . bn cn הוכחה כמה מאיברי הסדרה הם עבור 2≤nמתקיים 1 1 1 1 k 1 k ! 1 2 3 k 1 2 2 2 2 טענה (אי שויון ברנולי). נתונים מספרים nטבעי ו hממשי המקיים .-1≤hאז מתקיים אי השויון .1 nh (1 h)n הוכחה אינדוקציה על . nעבור n=1מקבלים שויון .נניח כי אי השויון נכון עבור nונוכיח את נכונותו עבור .n+1נכפול את אי השויון עבור nבבטוי האי שלילי 1+hונקבל (1 nh)(1 h) (1 h)n (1 h) 1 nh h nh2 (1 h) n1 1 (n 1)h 1 nh h nh2 (1 h)n1 טענה נתון מספר ממשי qהמקיים .-1<q<1אז מתקיים q n 0 . lim n הוכחה נפריד לשלשה מקרים לפי היות qאפס או חיובי או שלילי .עבור המקרה ,q=0נובע כי q nהיא הסדרה הקבועה 0שגבולה הוא .0נניח כי .0<q<1 1 1 1 אז , h 1 1 0 . q 1 1נשתמש באי שויון ברנולי q 1 1 1 h q q ונקבל כי 1 n 1 1 ) n 1 h (1 h) 1 nh ( , 0 q n ונקבל 1 1 1 1 1 ( ( ) ( 1 nh) ( 1 nh) ) n 1 nh h ולכן עבור 1 h 1 K נקבל 1 1 1 () ) (0 q n ) ( q n ). h 1 nh 1 nh 1 (n כדרוש. נותר המקרה .-1<q<0אז מתקיים ,q=-pואז pמקיים ,0<p<1ולכן עבור אותם -nים שבהם מתקיים , pn .גם מתקיים , qn pn .כדרוש. טענה לכל nמתקיים . cn 3 הוכחה נניח כי , 1 q 1ונחשב את 1 qn q , sn qsn 1 q ,(1 q )sn 1 q , sn , 1 q n n 1 1 ( ) n 1.lim sn 2 n 1 2 1 2 n n 1 q .qsn q q 2 sn 1 q q 1 0 1 q n 1 lim 1 1 lim sn lim n .sn 1 n n 1 q 1 q 1 q 1 q 2 n . מסקנה 1 n הסדרה הסדרה an (1 )nעולה (במובן הרחב) וחסומה מלעיל על ידי ,1 ולכן מתכנסת לגבול eאשר מקיים .e≤3הגבול קרוי eעל שם המוצא של הסדרה והגבול e=2.7818.. .Leonard Eulerוהוא מספר אי רציונלי. אינסוף כגבול על ציר .y נגיד כי הסדרה anשואפת לאינסוף ונסמן an , limאם מתקיים התנאי n הבא(M 0), (K 0),[(n K ) (M an )]. : נגיד כי הסדרה anשואפת למינוס אינסוף ונסמן an , limאם מתקיים n התנאי הבא(M 0), (K 0),[(n K ) (an M )]. : הגדרה נתונה סדרה an .אשר מקיימת שקים 0<Kכך ש (n K ) (0 an ).וגם כי . lim an 0.נגיד כי הסדרה שואפת ל 0+ונסמן an 0 . . lim n n טענה הטענות הבאות שקולות א .הסדרה anשואפת לאינסוף. ב. 1 0 an . lim n הוכחה נוכיח כי בהנתן הנתונים של א נובע ב ,ובהנתן הנתונים של ב נובע א .נתון כי . (M 0), ( K 0),[(n K ) (M an )].נבחר .M=1אז קים K1כך ש . (n K1 ) (1 an ).עבור אותם איברים מתקיים 1 1 an , 0 ובפרט האיברים הללו חיוביים .יהי נתון . ε>0נגדיר . M=1/ εברור כי M 1 חיובי וקים K2כך ש . (n K2 ) ( an ).נגדיר } .K=max{K1,K2אז עבור n>Kמתקיים נניח כי הסדרה 1 an 1 an 0 כדרוש. איבריה חיוביים החל ממקום מסוים ושואפת לאפס, ונוכיח כי הסדרה anשואפת לאינסוף .יהי נתון .0<Mנגדיר ε =1/M 1 an 1 an אז יש K2כך ש . (n K2 ) ( ).אז יש K1כך ש . (n K1 ) (0 ). נגדיר } .K=max{K1,K2אז עבור n>Kמתקיים 1 1 an M 0 ולכן עבור אותם – nים מתקיים M anכדרוש. הגדרה נתונה סדרה an .אשר מקיימת שקים 0<Kכך ש (n K ) (an 0).וגם כי . lim an 0.נגיד כי הסדרה שואפת ל 0-ונסמן lim an 0 . n n טענה הטענות הבאות שקולות א .הסדרה סדרה anשואפת למינוס אינסוף. ב. 1 0 an . lim n הוכחה :תרגיל הביתה טענה הטענות הבאות שקולות א .הסדרה סדרה anשואפת לאינסוף. ב .הסדרה סדרה anשואפת למינוס אינסוף. הוכחה תרגיל הביתה טענה נתונות שתי סדרות an ,אשר שואפת לאינסוף ו bnאשר חסומה מלעיל. אז הסדרה an bnשואפת לאינסוף. הוכחה צריך להוכיח כי , (M 0), ( K 0),[(n K ) (M an bn )].ונתון כי (M 0), ( K 0),[(n K ) (M an )].וכי קים מספר Jכך שלכל n מתקיים . bn J .יהי נתון .M>0עבור M+Jקים 0<Kכך ש . (n K ) (M J an ).עבור K<nמתקיים M M J J an bn . טענה (מסקנה) נתונות שתי סדרות an ,אשר שואפת לאינסוף ו bnאשר מתכנסת לגבול סופי .אז הסדרה an bnשואפת לאינסוף. הוכחה כיון שכל סדרה המתכנסת לגבול סופי היא חסומה ,הטענה נובעת מהטענה הקודמת. טענה נתונה סדרה anאשר שואפת לאינסוף אז anחסומה מלרע. הוכחה עבור עבור M=1קים 0<Kכך ש . (n K ) (1 an ).נגדיר . J min{a1, a2 , , aK ,1}.אז Jהוא חסם מלרע כדרוש. טענה נתונה סדרה anאשר שואפת למינוס אינסוף אז anחסומה מלעיל. הוכחה תרגיל הביתה טענה נתונות שתי סדרותan , lim bn , an , bn , limאז n n lim(an bn ) n הוכחה , limאז היא חסומה מלעיל והטענה ) an bn an (bnוכיון ש bn n נובעת מטענה קודמת. טענה 1 an נתונה סדרה אשר anשואפת לאינסוף .אז )a e . lim(1 n n הוכחה 1 n יהי נתון .ε>0אז יש Mכך ש . (n M ) (e (1 )n e).לפי הנתון קים Kכך ש . (n K ) (M an ).עבור K<nמתקיים כדרוש. 1 an ) e. an e (1 טענה 1 an נתונה סדרה אשר anשואפת למינוס אינסוף .אז )a e . lim(1 n n הוכחה נסמן , bn anאז מתקיים bn limואז נקבל n b 1 an 1 bn bn 1 bn 1 bn 1 bn 1 1 ) (1 () ) ( n )bn (1 ) (1 ) (1 ) an bn bn bn 1 bn 1 bn 1 bn 1 כיון ש bnשואפת לאינסוף ו 3היא סדרה קבועה וחסומה ,נובע כי 1 bn 1 .שואפת לאינסוף .לכן לפי טענה קודמת 0 , limולכן n b 1 n 1 1 b 1 1 lim(1ולכן lim1 כמו כן לפי טענה קודמת ) e n n bn 1 bn 1 1 1 bn 1 1 )an lim(1 ) (1 ) e 1 e. lim(1כדרוש. n n an bn 1 bn 1 (1 n טענה נתונה סדרה אשר anשואפת ל 0-ואשר כל איבריה שונים מ .0-אז 1 an an ) e . lim(1 n הוכחה ראשית נשים לב כי לפי הנתון כל האיברים anשונים מ ,0-ולכן כל האיברים 1 an מוגדרים .נפריד ל 1-מקרים: מקרה א -נניח שיש 0<Kכך ש (n K ) (0 an ).לכן בעצם במקרה א, an 0 . limאז אם נמחק את Kהאיברים הראשונים ונגדיר n לפי טענה קודמת כי bn limונקבל לפי טענה קודמת n 1 bn 1 an an ) lim(1 )b e lim(1כדרוש. n n n 1 an bn נקבל מקרה ב -נניח שיש 0<Kכך ש (n K ) (an 0).לכן בעצם במקרה א, an 0 . limאז אם נמחק את Kהאיברים הראשונים ונגדיר n 1 an bn נקבל לפי טענה קודמת כי bn limונקבל לפי טענה קודמת n 1 an 1 bn an ) lim(1 )b e lim(1כדרוש. n n n מקרה ג -נניח כי יש אינסוף איברים עבורם הסדרה חיובית ויש אינסוף איברים עבורם הסדרה שלילית .נגדיר . bn 1יהי נתון . ε>0נגדיר an | cn | bn 1 cn אז cn limולכן ( K1 0),[(n K1 ) (| (1 )c e | )].נגדיר n | dn | bn n 1 dn אז dn limולכן ( K2 0),[(n K2 ) (| (1 )d e | )].נגדיר n n } . K=max{K1,K2אז עבור n>Kמתקיים :אם an>0אז bn =cnולכן 1 n 1 n bn cn 1 1 | (1 )bn e || (1 )dn e | ). bn dn . | (1 )b e || (1 )c e | ).אם an<0אז bn =dnולכן ,כדרוש. טענה נתונות סדרות anהשואפת ל 3-ואשר כל איבריה שונים מ ,3-ו bnכך ש . lim bn נניח כי . lim(an 1) bn Lאז anb e L . lim n n n n הוכחה 1 an 1 ( an 1) bn ( an 1) bn an 1 ] )) [(1 (an 1 eL ) . an (1 an 1) (1 an 1אז כל איברי הסדרה an 1שונים מ 0-ושואפים ל ,0-ולכן לפי טענה קודמת e 1 an 1 bn bn )) (an 1 . lim(1לפי ההנחה lim(an 1) bn Lולכן לפי משפט n n האריתמטיקה של גבולות עבור חזקות (אותו לא נסחנו ולא הוכחנו) נובעת המסקנה. מקרה שבו אריתמטיקה של גבולות לא מתקיימת 1 n נביט על הסדרות הבאות an cn 1 , bn n, dn 2n :אז מתקיים 1 n 1 n 1 n anb (1 )n , cn d (1 )2n ((1 )n )2 ,ולכן n n lim anbn e, lim cn dn e2 n n משפט האריתמטיקה של גבולות אומר כי אם an L, lim bn M limאז n n נובע מידיית הגבול של סדרת הסכום/הפרש/מכפלה/מנת/חזקת הסדרות והוא הסכום/הפרש/מכפלת/מנת/חזקת הגבולות .ואילו בדוגמא שלמעלה גבול הבסיס הוא ,3גבול המעריך הוא אינסוף ,אבל גבול החזקה תלוי גם בסדרות ולא רק ב'מספרים' 3ואינסוף. דוגמא נוספת 2 n 1 n נניח כי , an bn cn , dn .אז an 0, lim bn 0, lim cn 0, lim dn 0 , limואז n n n n bn d 1, n 2 an cn ,כלומר גם כאשר יש מנה ,וכאשר המונה והמכנה שואפים ל ,0-אז אין מסקנה על גבול המנה. נציג את המקרים כ 0 0 וכ , 1והללו הם מקרים בעיתיים. אריתמטיקה של אינסוף נתונות שתי סדרות an , lim bn , , an , bn limורוצים לחבר /חסר /כפול/ n n חלק /העלות בחזקה את שתיהן .האם אפשר תמיד לדעת את גבול הסדרה החדשה (שתלוי רק ב an , lim bn .?) limראינו עבור n n an , lim bn 1, bn a , limאי אפשר לומר את הגבול מראש ,כלומר n n הוא מקרה שאין בו אריתמטיקה של גבולות. n טענה נתונות שתי סדרות , anbn . lim n הוכחה an , bn ,ונתון כי an , lim bn L,0 L limאז n n 1 2M יהי נתון .0<Mאז יש ,0<K1 ,K1כך ש ) an L L 3L L כן עבור יש ,0<K2 ,K2כך ש ) . (n K2 ) ( bn 2 2 2 L 2M } .K=max{K1,K2אז ) anbn , (n K ) (M כדרוש. 2 L ( . (n K1 ) כמו נגדיר טענה נתונות שתי סדרות , anbn . lim n an , bn ,ונתון כי an , lim bn L, L 0 limאז n n הוכחה תרגיל הגשה הביתה הדוגמא הבאה מראה כי ∞ 0הוא מקרה בעיתי. דוגמא 1 n , lim an 0, lim cn 0, lim bn , lim dn ואז , anbn 1, cn dn 2כלומר נניח כי , an cn , bn n, dn 2n.אז n n n n כאשר יש מכפלה ,וכאשר כופל אחד שואף ל ,0-וכופל שני ל ∞ ,אז אין מסקנה על גבול המכפלה. הדוגמא הבאה מראה כי ∞ ∞/הוא מקרה בעיתי. דוגמא נניח כי , an cn bn n, dn 2n.אז an , lim cn , lim bn , lim dn , limואז n n n n bn d 1, n 2 an cn ,כלומר כאשר יש מנה ,וכאשר המונה והכנה שואפים ל , ∞ -אז אין מסקנה על גבול המנה. הדוגמא הבאה מראה כי ∞0הוא מקרה בעיתי. דוגמא 1 n , lim an , lim cn , lim bn 0, lim dn 0ואז 3 נניח כי , an 2n , cn 3n , bn dn .אז n n n n n , anb 2, cndכלומר n כאשר יש חזקה ,וכאשר הבסיס שואף ל , ∞ -והמעריך שואף ל ,0-אז אין מסקנה על גבול החזקה. הדוגמא הבאה מראה כי 00הוא מקרה בעיתי. דוגמא n נניח כי n 1 1 1 , an , cn , bn dn .אז n 2 3 1 3 1 2 an 0, lim cn 0, lim bn 0, lim dn 0 , limואז , anb , cn d כלומר n n n n n n כאשר יש חזקה ,וכאשר הבסיס שואף ל , 0 -והמעריך שואף ל ,0-אז אין מסקנה על גבול החזקה. הדוגמא הבאה מראה כי ∞ ∞-הוא מקרה בעיתי. דוגמא נניח כי , an cn bn n, dn 2n.אז an , lim cn , lim bn , lim dn , limואז n n n n dn cn ) ( , bn an 0, dn cn n, limכלומר כאשר יש הפרש ,וכאשר n המחסר והמחוסר שואפים ל , ∞ -אז אין מסקנה על גבול ההפרש. נסכם את האריתמטיקה העובדת בצורת חוקי חשבון ,ובנוסף נכתוב את המקרים שאינם עובדים .את רוב החוקים הוכחנו אבל לא את כולם. טבלת האריתמטיקה של אינסוף ∞(-1)∞=- ∞=∞-L ∞1/0-=- ∞=1/0+ >L/∞=0+(L 0 a ∞ =∞,0<a L/∞=0 <a∞=0+,0<a 1 0 )0 =?(7 )∞+∞=∞ --∞=?(1 ∞ )L∞=- 0∞=?(2 )∞(L<0 ∞/L=- ∞/∞=?(3 )∞(L<0 ) ∞ ∞ )a =∞,1< 1 =?(4 a 0 )∞ =?(5) 0/0=?(6 ∞=∞+L )L∞=∞(L>0 ∞/L=∞(L>0 ) L/∞=0)(L<0 a ∞ =0+,a<0 טריקים ברגע שיש תרגיל חישוב שאי אפשר להשתמש בו באריתמטיקה של גבולות ,כלומר ברגע שמגיעים לאחד מ 7-המקרים הבעיתיים ,אפשר להשתמש בחלק מהטריקים המופיעים כאן .בקורס נלמד מספר סופי של טריקים. -3פונקציה רציונלית נתונה )p ( n )q ( n , r (n) כאשר ) p(n),q(nהם פולינומים ו r(n)-קרויה פונקציה רציונלית .רוצים לחשב את r ( n) . limנוציא מהמונה את הבטוי nd n כאשר dהיא החזקה הגבוהה ביותר שמופיעה .לדוגמא עבור . p(n) n3 n2 n 1דרגתו היא ,1ונכתוב 1 1 1 ) n n 2 n3 . p(n) n3 n2 n 1 n3 (1 כך נעשה גם למכנה ואז נוכל לחשב את הגבול .יש אנשים שמכינים טבלאות תשובות התלויות בדרגות המונה המכנה. דוגמא 1 1 1 1 1 1 ) n3 (1 2 3 ) n(1 2 3 n n n lim n n n (1 0 0 0) n 1 1 1 1 )(1 0 0 ) n2 (1 2 ) (1 2 n n n n כפל וחלוקה בצמוד -א n3 n 2 n 1 lim lim n n n2 n 1 נביט בשויון ) . a2 b2 (a b)(a bאפשר להשתמש בו כדי לפתור כמה תרגילים. דוגמא lim( n2 1 n) מהו n תשובה זהו מקרה של ∞ .∞-נשתמש בנוסחא עבור . a n2 1, b nנכפול (ונחלק) בצמוד ונקבל 1 ( n2 1) 2 n 2 n2 1 n n2 1 n )n 2 1 n ( n 2 1 n :נפעיל גבול n2 1 n n2 1 n 1 1 1 lim( n2 1 n) lim ונקבל 0. : 2 2 n n n 1 n 1 כפל וחלוקה בצמוד -ב נביט בשויון ) . a3 b3 (a b)(a2 ab b2אפשר להשתמש בו כדי לפתור כמה תרגילים. דוגמא מהו lim( 3 n3 n2 n 1 n) n תשובה זהו מקרה של ∞ .∞-נשתמש בנוסחא עבור . a 3 n3 n2 n 1, b nנכפול (ונחלק) בצמוד ונקבל ( 3 n3 n 2 n 1)2 n 3 n3 n 2 n 1 n 2 ( 3 n3 n 2 n 1)2 n 3 n3 n 2 n 1 n 2 )( n n n 1 n) ( n n n 1 n 3 2 3 3 n2 n 1 ( 3 n3 n 2 n 1)2 n 3 n3 n 2 n 1 n 2 n3 n 2 n 1 n3 3 2 3 ( 3 n3 n 2 n 1)2 n 3 n3 n 2 n 1 n 2 ) n 2 (1 1/ n 1/ n 2 (n 3 1 1/ n 1/ n 2 1/ n3 ) 2 n 2 3 1 1/ n 1/ n 2 1/ n3 n 2 1 1/ n 1/ n 2 ( 3 1 1/ n 1/ n 2 1/ n3 ) 2 3 1 1/ n 1/ n 2 1/ n3 1 :נפעיל גבול ונקבל: ) 1 1/ n 1/ n2 (lim( 3 n3 n 2 n 1 n) lim ( 3 1 1/ n 1/ n 2 1/ n3 ) 2 3 1 1/ n 1/ n 2 1/ n3 1 1 0 0 1 1 3 . ( 1 0 0 0) 2 3 1 0 0 0 1 1 1 1 3 n n נוסחאות נוספות יש נוסחאות נוספות כמו ) , a4 b4 (a b)(a3 a2b ab2 b3ואשר בכלן אפשר להשתמש. פונקציות בינתיים כשלמדנו אודות גבולות של סדרות הכתה למדה אודות פונקציות בשעור דיסקרטית. פונקציה f:A→Bהיא קבוצה חלקית fשל המכפלה הקרטזי⃘ת A×B בעלת תכונת החד ערכיות ) A . 1.x A, y B, f ( x) y.2.[( f ( x) a) ( f ( x) b)] (a bקרויה התחום ו Bקרויה הטווח של .fהתמונה של fמסומנת ) Im(fהיא הקבוצה החלקית של . Im( f ) {y B, x A, f ( x) y} Bאומרים כי fהיא על אם מתקיים ) .B=Im(fאומרים כי fחד-חד-ערכית אם מתקיים כי ) . ( f (a) f (b)) (a bאם fחח"ע ועל קימת הפונקציה ההפוכה f-1:B→Aהמוגדרת על ידי ) .(f(x)=y) (f-1(y)=xההרכבה של g:B→C על f:A→Bהיא הפונקציה g⃘⃘·f:A→Cהמוגדרת על ידי )) .(g·f)(x)=g(f(xנסמן ב IXאת פונקצית הזהות .I:X→X,I(a)=a פונקציה f:A→Bוהפוכתה f-1:B→Aמקיימות כי f-1·f:A→Aשוה 3 לפונקציה ,IAוכי f·f-1:B→Bשוה לפונקציה .IBולהפך ,נתונות שתי פונקציות g:B→Cו f:A→Bכך ש g·f= IAוכך ש .f·g= IBאז גם fוגם gהן חח"ע ועל ומתקיים כי .g= f-1 עד כאן דברנו על פונקציות כלשהן. הפונקציות שנעסוק בהן באינפי הן ממשיות כלומר כאלו שהתחום והטווח הן המספרים הממשיים .Rיכול להוצר מצב כי ישנו xב R-שאי אפשר להציב אותו בנוסחא של ,fואז התחום הוא חלקי ל.R- ת"ה סימטרי נתונה פונקציה . f:D→Rנגיד כי ת"ה Dהוא סימטרי אם מתקיים ) . ( x D) ( x Dלדוגמא ל y=3x+4,y=1/x,y=1/x2תחום הגדרה סימטרי ,אבל ל). y=1/(x+1אין ת"ה סימטרי. זוגיות ואי זוגיות נתונה פונקציה f:D→Rבעלת ת"ה סימטרי .נגיד כי היא פונקציה זוגית אם מתקיים . x D, f ( x) f ( x).לדוגמא ax2 , ax4 , ax6 , , ax0 a, ax 2 , כולן זוגיות ,כלומר כל החזקות הזוגיות של ,xאבל לא רק ,גם הפונקציה ) y=cos(xהיא פונקציה זוגית .לפונקציה זוגית יש סימטריה של הגרף ביחס לציר .y נתונה פונקציה f:D→Rבעלת ת"ה סימטרי .נגיד כי היא פונקציה אי- זוגית אם מתקיים . x D, f ( x) f ( x).לדוגמא ax1 , ax3 , , ax1 , ax3 , כולן אי-זוגיות ,כלומר כל החזקות האיזוגיות של ,xאבל לא רק ,גם הפונקציה ) y=sin(xהיא פונקציה איזוגית .לפונקציה כזו יש סימטריה של הגרף ביחס לצירי xו.y - אם הפונקציה איננה זוגית ואיננה איזוגית נגיד כי היא פונקציה כללית. מחזוריות נגיד כי f:D→Rהיא מחזורית עם מחזור ,Tאם מתקיים . x D, f ( x T ) f ( x).הפונקציות ) sin(x),cox(xהן מחזוריות עם מחזור ,2πוהפונקציות ) tan(x),cot(xהן מחזוריות עם מחזור .πאם Tהוא מחזור של ,fאז גם 2T,3T,nT,n∊ℕהוא מחזור של .f קטעי עליה וירידה נגיד כי Iהוא קטע (או קרן) עליה (במובן הצר) של fאם מתקיים . x, y I ,( x y) ( f ( x) f ( y)).הקרן )∞ [0,היא תחום עליה של .f(x)=x2הקטע ] [-π/2, π/2הוא קטע עליה של ) ℝ ,sin(xהוא תחום עליה של .y=xהקרן )∞ [0,היא תחום ירידה של ,f(x)=1/xגם הקרן ] (-∞,0היא תחום ירידה של ,f(x)=1/xאבל fלא יורדת בכל תחום הגדרתה כי -1<1על ציר ה ,x-אבל .f(-1)=-1<f(1)=1 נגיד כי Iהוא קטע (או קרן) עליה (במובן הרחב) של fאם מתקיים . x, y I ,( x y) ( f ( x) f ( y)).כל תחום עליה במובן הצר הוא גם תחום עליה במובן הרחב .פונקצית הערך השלם ] y=[xשנלמד בקרוב היא דוגמא שיש בה תחום עליה במובן הרחב שאיננו במובן הצר. חסימות נגיד כי fחסומה ,או חסומה מלעיל או חסומה מלרע אם ) Im(fחסומה או חסומה מלעיל או חסומה מלרע .לדוגמא f(x)=x2חסומה מלרע, f(x)=-x2חסומה מלעיל ו ) f(x)=sin(xחסומה בכלל. פולינום פולינום הוא סכום של מקדמים הכפולים בחזקות שלמות אי שליליות. דוגמא .p(x)=1+2x+3x2+4x3דרגת הפולינום היא החזקה הגבוהה ביותר שיש לה מקדם השונה מ .0-בדוגמא הקודמת דרגת pהיא .1 פונקציה רציונלית פונקציה רציונלית היא מנת שני פולינומים למשל )q(x)=(1+x)/(2+x2 פונקציה מעריכית לפי חוקי החזקות ובאינדוקציה מוגדרת 2x:ℕ→ℝכך21=2,2n+1=2n21 : כדי להרחיב את תחום הגדרתה ל ,ℤנגדיר , 20=1,2-n=1/2nכדי להרחיב את תחום הגדרתה ל ℚנגדיר . 2p/q=q√2pכדי להרחיב את תחום הגדרתה ל ,ℝ-נשתמש במושג הגבול .נקבל 2x: ℝ →ℝשהיא עולה במובן הצר ,ומקיימת 2 x , lim 2 x 0 . limעבור כל ,aהמקיים 1<a x x נקבל בצורה דומה ax: ℝ →ℝשהיא עולה במובן הצר ,ומקיימת a x , lim a x 0 . . limעבור כל ,aהמקיים 0<a<1נקבל בצורה דומה x x x a : ℝ →ℝשהיא יורדת עולה במובן הצר ,כך ש a x 0, lim a x . . lim x x פונקצית השרש הפונקציה f(x)=x2היא על הקרן )∞ ,[0,ואינה חח"ע .אם נצמצם את תחום ההגדרה נקבל )∞ f(x)=x2:[0,∞) → [0,שהיא חח"ע ועל ,ולכן יש לה הפוכה )∞.g(x)=√x:[0,∞) → [0, פונקצית הלוגריתם הפונקציה המעריכית עבור כל aהמקיים 0<a≠1היא פונקציה חח"ע ועל )∞ , ℝ →[0,ולכן יש לה פונקציה הפוכה [0,∞)→ ℝאשר נקראת ) .loga(xהערכים החשובים עבור aהם loge(x) .a=10,2,eמסומנת בקצור ).ln(x פונקציות טריגונומטריות הפוכות sin(x): ℝ → ℝאינה חח"ע ואינה על ,אך אם נצמצם את תחום ההגדרה נקבל פונקציה חח"ע ועל ] sin(x): [-π/2,π/2]→ [-1,1בעלת הפוכה ] . arcsin(x): [-1,1]→ [-π/2,π/2בצורה דומה נקבל את הפונקציות הטריגונומטריות ההפוכות ] arccos(x): [-1,1]→ [0,πוarctan(x): - ]. ℝ → [-π/2,π/2 פונקציות אלמנטריות הפונקציות האלמנטריות כוללות את הפולינומים ,הפונקציות הרציונליות ,המעריכיות ,השרשים ,הלוגריתמים ,הטריגונומטריות, הטריגומטריות ההפוכות ,וכן כל פונקציה המתקבלת מהן על ידי חבור חסור כפל חלוק הרכבה והפוך .זו משפחה מאוד גדולה של פונקציות. בקצור נאמר שאלו כל הפונקציות שיש להן 'נוסחא'. יש גם המון פונקציות לא אלמנטריות ,ובקצור אלו הפונקציות שאין להן 'נוסחא' .דוגמאות הן גם פונקציות עם תחום הגדרה מפוצל ,כלומר כאלו ששוות לפונקציות אלמנטריות שונות בחלקים שונים של תחום ההגדרה שלהן .שלשת הפונקציות הבאות אינן אלמנטריות ,כיון שהן שוות בחלקי תחום הגדרתן לפונקציות אלמנטריות שונות. פונקצית הערך המוחלט |y=|x הערך המוחלט של xמוגדר כמרחק שבין xו ,0-והוא תמיד אי שלילי. ניתן להגדיר את הפונקציה על ידי 0 x x . f ( x) נשים לב כי fשוה בחלק מתחום הגדרתה לפולינום x x x 0 ובחלק מתחום הגדרתה לפולינום ,–xוהעובדה שתחום ההגדרה שלה מפוצל לשני תתי תחומים ,ובכל אחד מהם יש הגדרה ,או נוסחא ,אחרת היא זו שעושה את הפונקציה לא אלמנטרית |x|:ℝ →[0, ∞) .חסומה מלרע וזוגית .איננה מחזורית [0,∞) .קרן עליה (-∞,0] ,קרן ירידה. פונקצית הערך השלם ]y=[x נגדיר } . [ x] max{z, z xההגדרה נראית פורמלית ומסובכת ,אבל כמה הצבות ישכנעו אותנו כי למשל [2]=2,[2.1]=2,[2.2]=2, ) .[2+x]=2(0<x<1אם נמשיך כך נקבל הגדרה אחרת של ] [xעל ידי תחום מפוצל .לכל zשלם ,נקבל .[x]=z,z≤x<z+1הגרף של ] [xהוא פונקצית מדרגות עולה במובן הרחב ,ובכל נקודה x=zשלמה ,יש בגרף קפיצה [x]:ℝ → ℤ .איננה אלמנטרית .איננה חסומה ,אינה מחזורית אינה זוגית אינה אי זוגית ,עולה במובן הרחב. פונקצית ערך השבר }y={x נגדיר ] . {x}=x-[xההגדרה נראית פורמלית ומסובכת ,אבל כמה הצבות ישכנעו אותנו כי למשל {2}=0,{2.1}=0.1,{2.2}=0.2 ) .,{2+x}=x(0<x<1אם נמשיך כך נקבל הגדרה אחרת של } {xעל ידי תחום מפוצל .לכל zשלם ,נקבל {x}=x-z,z≤x<z+1 הגרף של } {xהוא פונקצית מדרגות ,ובכל נקודה x=zשלמה ,יש בגרף קפיצה [x]:ℝ →[0,1) .איננה אלמנטרית .חסומה ,מחזורית בעלת מחזור ,3איננה זוגית איננה אי זוגית .כל קטע ) [z,z+1הוא קטע עליה עבור zשלם. הפונקציה ).sin(1/x כדי להבין את מבנה הגרף של פונקציה זו נשתמש בארבעת הטענות הבאות. טענה (עולה על עולה) נתונות f: A→ Bעולה ו g: B→ C -עולה .אז ההרכבה g·f : A→ Cהיא פונקציה עולה .הטענה נכונה במובן הצר וגם במובן הרחב. הוכחה מתקיים כי )) (p<q)→(f(p)<f(qו מתקיים כי )) .(p<q)→(g(p)<g(qאז מתקיים כי ))) (p<q)→(f(p)<f(q)) →(g(f(p))<g(f(qכדרוש. טענה (עולה על יורדת) נתונות f: A→ Bיורדת ו g: B→ C -עולה .אז ההרכבה g·f : A→ Cהיא פונקציה יורדת .הטענה נכונה במובן הצר וגם במובן הרחב. הוכחה (תרגיל הביתה) טענה (יורדת על עולה) נתונות f: A→ Bעולה ו g: B→ C -יורדת .אז ההרכבה g·f : A→ Cהיא פונקציה יורדת .הטענה נכונה במובן הצר וגם במובן הרחב. הוכחה (תרגיל הביתה) טענה (יורדת על יורדת) נתונות f: A→ Bיורדת ו g: B→ C -יורדת .אז ההרכבה g·f : A→ C היא פונקציה עולה .הטענה נכונה במובן הצר וגם במובן הרחב. הוכחה (תרגיל הביתה) נביט על קטעי העליה והירידה של ) sin(xבחצי החיובי של הישר הממשי. אלו הם ….(0,π/2], [π/2, 3π/2], [3π/2, 5π/2], [5π/2, 7π/2], עבור כל קטע כזה נפעיל את f(x)=1/xונקבל את הקטעים [2/ π, ∞), … . [2/ π, 2/ 3π], [2/ 3π, 2/ 5π], [2/ 5π, 2/ 7π],,כעת נפעיל על כל קטע את ההרכבה ) 1/x .sin(1/xיורדת על הקטע .למשל על הקטע ו הראשון נקבל ] 1/x: [2/ π, ∞) → (0,π/2יורדת, ] sin(x): (0,π/2] → (0,1עולה ,ולכן ]sin(1/x): [2/ π, ∞) → (0,1 יורדת .בצורה דומה ] sin(1/x): [2/ π, 2/ 3π] → [-1,1עולה, ] sin(1/x): [2/ 3π, 2/ 5π] → [-1,1יורדת ,וכדומה .יש לפונקציה, עבור xחיובי ,אינסוף קטעי עליה וירידה ,אבל בנגוד לפונקציה סינוס, ששם כולם בעלי רוח זהה של ( , πחצי מחזור) ,כעת הקטעים הולכים ומצטופפים סביב .0הפונקציה היא אי זוגית .נשלים את הגרף על ידי אי הזוגיות של הגרף .זוהי פונקציה אלמנטריתSin(1/x):ℝ →[-1,1] . חסומ ה ,אי זוגית ,איננה מחזורית ודברנו כבר על קטעי העליה והירידה שלה. גבול של פונקציה נתונים }∞ a,b∊ℝ∪{±נגיד כי הגבול של ) f(xכאשר xשואף ל a-הוא ,b ונכתוב f ( x) b , limאם x a הגדרת קושי (רק כותבים). 0 0[(0 | x a | ) (| f (x ) b | )]. (עבור המקרה ש ) a,b∊ℝ יש להגדרה זו משמעות גיאומטרית. לא נדבר על שאר המקרים של a,bשבהן ההגדרה משתנה .עדיין בכל מקרה יש משמעות גיאומטרית .נסיון לאחד את כל המקרים גורר את מושג הסביבה ואת מושג הטופולוגיה. הגדרת היינה אם לכל סדרה } {xnכך שמתקיים xn a , limנובע כי n lim f ( xn ) b n משפט הגדרת היינה והגדרת קושי (כל הגדרות קושי עבור כל המקרים) שקולות, כלומר לא משנה באיזו הגדרה משתמשים. משפט כל משפטי האריתמטיקה הסופיים והאריתמטיקה של אינסוף ,כל שבעת המקרים הבעיתיים ,וכל הטריקים שלמדנו לגבי גבולות של סדרות, תקפים לגבי )f ( x . lim x a טריק נוסף של חלוקת פולינומים דוגמא x4 1 0 )( x3 x 2 x 1)( x 1 ( x3 x 2 x 1) 4 lim lim x 1 )x3 1 0 x1 ( x 2 x 1)( x 1 )( x 2 x 1 3 lim x 1 עוד גבולות מוכרים את הגבולות הבאים נכתוב (לצערנו בלי הוכחה) ex 1 )sin( x 1, lim 1 x 0 x 0 x x lim מתוך הגבול השמאלי נובעים הגבולות הבאים: a x 1 eln( a ) x 1 eln( a ) x 1 eln( a ) x 1 lim lim ln a lim ln(a) lim ) ln(a) 1 ln(a x 0 x 0 x 0 ln(a ) x ln a x 0 ln(a ) x x x )ln(1 x )ln(1 x y ,ln(1 x) y,lim y 0,lim lim y 1. x 0 x 0 x 0 y 0 e 1 x x lim גבולות חד צדדיים (הגדרת היינה) נתונים }∞a,b∊ℝ∪{± נגיד כי הגבול של ) f(xכאשר xשואף ל a+הוא ,bונכתוב f ( x) b , xlim a אם לכל סדרה } {xnכך שמתקיים xn a , limוכך שמתקיים a≤xnנובע כי n lim f ( xn ) b n נגיד כי הגבול של ) f(xכאשר xשואף ל a-הוא ,bונכתוב f ( x) b , xlimאם a לכל סדרה } {xnכך שמתקיים xn a , limוכך שמתקיים xn≤aנובע כי n lim f ( xn ) b n המשפט הבא נובע מהשואת ההגדרות. הטענות הבאות שקולות: .3 lim f ( x) b .2 lim f ( x) b x a x a וגם lim f ( x) b x a דוגמאות. מתקיים כי lim (1/ x) x 0 וגם כי lim (1/ x) בטבלת האריתטיקה של אינסוף בצורה x 0 .את העובדות הללו רשמנו 1 1 , 0 0 . עבור כל zשלם מתקיים x] z, lim[ x] z 1. [ . xlimעבור כל aשאיננו שלם z xz מתקיים lim[ x] lim[ x] [a].את השויון האחרון ניתן לרשום x] [a]. [. lim x a x a x a רציפות נקודה aבתחום ההגדרה של הפונקציה fתקרא נקודת רציפות של הפונקציה ,fאם שלשת הבטויים הבאים קימים (סופיים) ושוים זה לזה. א .f(a) .ב lim f ( x) .גf ( x) . . xlimמכיון ש) f(aסופי ,ברור כי בנקודת a x a רציפות שלשת הבטויים סופיים. כל נקודה שאיננה נקודת רציפות תקרא נקודת אי רציפות של .f סווג נקודות אי רציפות. נקודת אי רציפות aתקרא סליקה אם מתקיים כי שני הבטויים הבאים קימים (סופיים) ושוים זה לזה .א lim f ( x) .בf ( x) . xlimאך שונים מ a x a ) .f(aלפעמים נקרא לנקודה נקודת אי רציפות סליקה גם אם ) f(aלא מוגדרת. נקודת אי רציפות aתקרא קפיצה אם מתקיים כי שני הבטויים הבאים קימים סופיים אך שונים זה מזה .א lim f ( x) .בlim f ( x) . x a x a נקודת אי רציפות aתקרא מסוג שני אם אחד לפחות משני הבטויים הבאים לא קים או שקיים והוא אינסופי .א lim f ( x) .בlim f ( x) . x a x a דוגמאות: הנקודה a=1.5היא נקודת רציפות של ].f(x)=[x הנקודה a=1היא נקודת קפיצה עבור ].f(x)=[x הנקודה a=0היא נקודת אירציפות סליקה עבור .f(x)=sin(x)/x הנקודה a=0היא נקודת אי רציפות מסוג שני עבור ) ,f(x)=sin(1/xוגם עבור .g(x)=1/x אריתמטיקה של פונקציות רציפות משפט נניח כי ) f(x),g(xפונקציות רציפות בנקודה .aאז גם ),f(x)±g(x ) f(x)g(xו )) (f(x))/g(xרציפות בנקודה .aהמנה רציפה רק אם .g(a)≠0 הוכחה אם נתונה סדרה xnכך ש xn a , limאז לפי הגדרת הרציפות n )f ( xn ) f (a limולפי משפטי אריתמטיקה של גבולות מתקיים n )f ( xn ) g (xn ) f (a )g (a ) , lim f ( xn ) g ( xn ) f (a) g (a limוגם n n k )f ( xn ) f (a )g ( xn ) g (a lim n בתנאי ש .g(a)≠0 משפט נניח כי ) f(xפונקציה רציפה בנקודה ,aו) g(xפונקציה רציפה בנקודה ) .f(aאז גם )) g(f(xרציפה בנקודה .a הוכחה אם נתונה סדרה xnכך ש xn a , limאז לפי הגדרת הרציפות n ) lim f ( xn ) f (aושוב לפי הגדרת הרציפות ))lim g ( f ( xn )) g ( f (a n n k העובדות הבאות קלות להוכחה הפונקציה ,f(x)≡cוהפונקציה f(x)=xרציפות בכל נקודה. משפט (ללא הוכחה) כל פונקציה אלמנטרית רציפה בכל נקודה aבה היא מוגדרת. משפטים עבור פונקציות רציפות משפט בולצנו וירשטרס (BWבלי הוכחה) נתונה סדרה anאשר חסומה (מלעיל ומלרע) .אז יש לה תת סדרה ank המתכנסת .גבול הסדרה חסום על ידי החסמים של הסדרה המקורית. דוגמא הסדרה (-1)nחסומה בין 3ו ,-1וכל האיברים הזוגיים בסדרה הם תת סדרה קבועה אשר מתכנסת לגבול ,3אשר חסום ביו החסמים של הסדרה המקורית. משפט וירשטרס (חסימות) נתונה פונקציה fאשר מוגדרת ורציפה בכל נקודות הקטע ] .[a,bאז f בקטע חסומה מלעיל ומלרע. דוגמא הפונקציה f(x)=1/xרציפה בקטע ] (0,1אך איננה חסומה בו ואיננה סותרת את המשפט ,כיון שאיננה רציפה על קטע סגור. הוכחה נוכיח רק חסימות מלעיל .הוכחת חסימות מלרע דומה והיא תרגיל הביתה. נניח בשלילה כי fאיננה חסומה מלעיל .אז לכל מספר טבעי nיש ,xnכך ש a≤xn ≤bוכך ש .f(xn)>nנפעיל גבול ונקבל כי ) n lim f ( xn . lim n n כעת נשים לב כי הסדרה xnחסומה ,ולפי משפט BWיש לה תת סדרה מתכנסת xn c limכך ש .a≤c≤bכיון ש cהיא בתחום הרציפות של fאז n לפי הגדרת הגבול ) , lim f ( xn ) lim f (cולפי הרציפות )f (c) f (c , limומצד x c n x c k k שני f ( xn ) , limולכן נובע כי ∞=) ,f(cוזו סתירה להגדרת הפונקציה. n k לכן fחיבת להיות חסומה מלעיל. מכיון ש fחסומה מלעיל ומלרע ,יש לה חסמים עליון ותחתון בקטע. משפט וירשטרס (מקסימום) נתונה פונקציה fאשר מוגדרת ורציפה בכל נקודות הקטע ] .[a,bאז f מקבלת את ערך חסם המלעיל בקטע ,כלומר הסופרמום הוא מקסימום. באותה צורה האינפימום הוא מינימום. הוכחה נוכיח רק עבור חסם עליון .הוכחה עבור חסם תחתון דומה והיא תרגיל הביתה. נסמן את החסם העליון של fבקטע על ידי .Mאז לפי הגדרת חסם עליון, לכל מספר טבעי nיש ,xnכך ש a≤xn ≤bוכך ש ) .f(xn)>M-(1/nנפעיל 1 גבול ונקבל כי ) M lim f ( xn . M limכעת נשים לב כי הסדרה xn n n n חסומה ,ולפי משפט BWיש לה תת סדרה מתכנסת lim xnk c n כך ש .a≤c≤bכיון ש cהיא בתחום הרציפות של fאז לפי הגדרת הגבול ) , lim f ( xn ) lim f (cולפי הרציפות ) , lim f (c) f (cומצד שני f ( xn ) M , lim n x c n x c k ולכן נובע כי ,f(c)=Mכדרוש. משפט -תכונת ערכי הביניים של קושי (גובה .)0 נתונה פונקציה fאשר מוגדרת ורציפה בכל נקודות הקטע ] ,[a,bונתון כי .f(a)f(b)<0אז קימת נקודת ביניים cאחת לפחות כך ש a<c<bוכך ש .f(c)=0 הוכחה אי השויון f(a)f(b)<0שקול לשני אי שויונים ) f(a)<0<f(bו ) ,f(b)<0<f(aואנו נוכיח את הטענה רק עבורהמקרה ),f(a)<0<f(b וההוכחה עבור המקרה השני דומה והיא תרגיל הביתה. נגדיר .a0=a,b0=bנגדיר . c0=(a0+b0)/2תתכנה 1אפשרויות עבור ).f(c0 .f(c0)=0, f(c0)<0, f(c0)>0 אם f(c0)=0אז התמזל מזלנו ומצאנו c=c0כך ש f(c)=0ישר בהתחלה. אם ,f(c0)<0אז נגדיר a1= c0וכן .b1= b0אם ) ,0<f(c0נגדיר a1= a0 וכן .b1= c0בכל מקרה שאיננו המקרה הראשון יתקיים ).f(a1)<0<f(b1 כעת נגדיר .c1=(a1+b1)/2שוב נפריד למקרים לפי הערך של ).f(c1 או שיתקיים כי קיים nכך ש f(cn)=0ואז הוא יהיה cשחפשנו ,או שנקבל סדרות אינסופיות anו bnהמקיימות כי לכל ,an <bn nכך ש anעולה במובן הרחב bn ,יורדת במובן הרחב ,מתקיים כי ),f(an )<0<f(bn b a b a ובנוסף מתקיים . bn an n1 n1 0 n 0אי השויונים an <bn≤ b1 2 2 מראים כי הסדרה anמונוטונית עולה במובן הרחב וחסומה מלעיל ולכן מתכנסת לגבול dאשר מקיים .a≤ d≤ bאי השויונים a1 ≤an< bn מראים כי הסדרה bnמונוטונית יורדת במובן הרחב וחסומה מלרע ולכן מתכנסת לגבול gאשר מקיים .a≤ g≤ bאי השויון an <bnמתרחב ל .an≤d≤g ≤bnכמו כן נקבל ,0≤g-d≤ bn- anואם נפעיל גבול נקבל לפי משפט הסנדביץ ,0≤g-d≤0ולכן .g=dנסמן ,c=g=dולכן שתי הסדרות anו bnמתכנסות ל cוברור כי a=a0≤an≤c≤bn≤b0=bכלומר cהיא בתחום ההגדרה ונקודת רציפות של .fלפי הגדרת הרציפות lim f (an ) f (c) 0וכמו כן f (bn ) f (c) 0 limולכן נובע כי ,f(c)=0 n n כדרוש. משפט -תכונת ערכי הביניים של קושי גובה כלשהו נתונה פונקציה fאשר מוגדרת ורציפה בכל נקודות הקטע ] ,[a,bונתון h כך שמתקיים אחד מאי השויונים הבאים.f(b)<h<f(a) .f(a)<h<f(b) . אז קימת נקודת ביניים cאחת לפחות כך ש a<c<bוכך ש .f(c)=h הוכחה נביט בפונקציה .g(x)=f(x)-hהיא הפרש של שתי פונקציות רציפות בקטע ] [a,bולכן היא רציפה ומקיימת את אחד מאי השויונים ) g(a)<0<g(bאו ) .g(b)<0<g(aאז לפי תכונת ערכי הבינים קים cאחד לפחות a<c<b ,כך ש g(c)=0או ,f(x)=hכדרוש. קצב השנוי הרגעי מכונית נוסעת .בזמן t=0היא יוצאת ממכללת נתניה ,ו ) f(tמסמן את המרחק בק"מ של המכונית מהמכללה אחרי tשעות .אחרי שעה עברה המכנית ) f(1קמ .אחרי שעתיים ) ,f(2אחרי 1שעות ) .f(3במהלך השעה השלישית עברה ) .f(3)-f(2בחצי השעה שהתחילה שעתיים לאחר היציאה והסתיימה שעתיים וחצי לאחר היציאה עברה ) f(2.5)-f(2ק'מ, ומהירותה הממוצעת היתה ) . f (2.5) f (2בדקה ה 323אחרי היציאה 2.5 2 1 )) f (2 60 . המהירות הממוצעת בקמ"ש היתה 1 2 2 60 )f (2 h) f (2) f (2 h) f (2 הממוצעות הן מהצורה 2h2 h f (2 כל המהירויות .עבור ערכים שונים של .hמהירותה הרגעית של המכונית שעתיים לאחר היציאה היא )f (2 h) f (2 . limעבור פונקציה כלשהי ) ,g(xקצב השנוי הרגעי של h 0 h ) g ( a h) g ( a . limבדר"כ זהו גבול מהצורה הפונקציה בנקודה aהוא h 0 h .0/0 הגדרה נגזרת קצב השנוי הרגעי של fבנקודה ,aאו הנגזרת של fבנקודה ,aמוגדר ) f ( a h) f ( a . limאם הגבול קים וסופי אומרים כי fגזירה בתור הגבול h 0 h בנקודה aואת הגבול מסמנים על ידי ).f'(a דוגמאות f(x)=cגזירה בכל נקודה aו f(x)=x2 .f'(a)=0גזירה בכל נקודה aו f(x)=√x .f'(a)=2aגזירה בכל נקודה f(x)=|x|. f'(a)=1/(2√a) a≠0 ||0h| |0 ||0h| |0 1, lim איננה גזירה בנקודה ,0כיון ש 1 . hlim 0 h 0 h טענה אם aנקודת גזירות של ,fאז היא גם נקודת רציפות של .f הוכחה h . f ( a h) f ( a ) b m(a, h) h נעביר אגפים f ( a h) f ( a ) b נתון שקים הגבול נגדיר. lim h 0 h f ( a h) f ( a ) lim m(a, h) lim b b b 0. נפעיל גבול ונקבל h 0 h 0 h ושוב נשאיף ונקבל כיf (a h) f (a) bh mh אבל לפי ההגדרה. lim f (a h) lim[ f (a) bh mh] f (a). h0 a כלומרf(a) הללו שוים ל, h0 lim f (a h) lim f ( x), lim f (a h) lim f ( x). h0 x a h0 x a .f היא נקודת רציפות של משפטי אריתמטיקה של נגזרות : הינו קבוע אז גםc ו.a גזירות בנקודהf,g נניח כי (f±g)'(a)= (f)'(a)±(g)'(a) וa גזירה בנקודהf±g (cf)'(a)= c(f)'(a) וa גזירה בנקודהcf (fg)'(a)= (f)'(a)g(a)+f(a)(g)'(a) וa גזירה בנקודהfg f f '(a) g (a) f (a) g '(a) (בתנאי ש, ( ) '(a) וa גזירה בנקודהf/g 2 g g (a ) .(g(a)≠0 הוכחה נובע כי, כיון. lim hn 0 n אשר מקיימתhn נתון כי לכל סדרה g (a hn ) g (a) f (a hn ) f (a) g '(a) וכיlim f '(a) n hn hn lim f (a hn ) f (a) שגזירות גוררת רציפות נובע כי lim n וכי n g (a hn ) g (a) : לכן. lim n ולכן ( f g )(a hn ) ( f g )(a) f (a hn ) f (a) g (a hn ) g (a) hn hn hn ( f g )(a hn ) ( f g )(a) f (a hn ) f (a) lim lim n n hn hn .3 g (a hn ) g (a) f '(a) g '(a) n hn lim (cf )(a hn ) (cf )(a) f (a hn ) f (a) c lim cf '(a) n n hn hn lim .2 .3 .2 .1 .4 ( fg )(a hn ) ( fg )(a ) f (a hn ) g (a hn ) f (a ) g a hn hn f (a hn ) g (a hn ) f (a hn ) g (a ) f (a hn ) g (a ) f (a ) g a hn f (a hn )( g (a hn ) g (a )) g (a )( f (a hn ) f (a )) hn hn ( g (a hn ) g (a)) ( f (a hn ) f (a )) g (a ) hn hn ( fg )(a hn ) ( fg )(a) ( g (a hn ) g (a)) lim lim f (a hn ) lim n n n hn hn .1 f (a hn ) ( f (a hn ) f (a)) g (a) lim f (a) g '(a) g (a) f '(a ). n hn ולכן .4 f (a hn ) f (a) f f ( )(a hn ) ( )(a) g (a hn ) g (a) f (a hn ) g (a) f ( a) g ( a hn ) g g hn hn hn g (a hn ) g (a) f (a hn ) g (a) f (a) g ( a) f ( a) g ( a) f ( a) g ( a hn ) hn g (a hn ) g (a) ( f (a hn ) f (a)) g (a) f (a)( g ( a) g ( a hn )) f (a hn ) f (a) g (a) hn g (a hn ) g (a) g (a hn ) g (a) hn g (a hn ) g (a) f (a) g (a hn ) g (a) hn ולכן f (a hn ) f (a) f f ( )(a hn ) ( )(a) g (a hn ) g (a) f (a hn ) f (a) g (a) g g lim lim n n hn hn lim g (a hn ) g (a) hn n g (a hn ) g (a) g (a) f '(a) f (a) g '(a) f (a) lim n lim g (a hn ) g (a) hn g ( a) 2 n משפט כלל השרשרת a גזירה בנקודהg·f אז,f(a) גזירה בנקודהg ו,a גזירה בנקודהf נניח כי .(g·f)'(a)=g(f(a))f'(a) ומתקיים בלי הוכחה הפונקציות האלמנטריות הפונקציות האלמנטריות הן הפונקציות הפולינומיאליות ,המעריכיות, הטריגונומטריות וכן כל פונקציה שמתקבלת מהן על ידי חבור חסור כפל חלוק הרכבה והפוך. נגזרות הפונקציות האלמנטריות כל הפונקציות האלמנטריות (רציפות) וגזירות בכל תחום הגדרתן ומקיימות את החוקים הבאים: ( x a )' ax a1 .3 .2 ) (a x )' a x ln(a .'2 (e x )' e x .5 . (sin x)' cos x .4 . (ln x) ' 1 '1 x .9 1 cos2 x 1 .7 . (tan x) ' 1 x2 (arccos x)' 1 sin 2 x .30 (cot x ) ' .1 1 ) x ln(a (cos x)' sin x .8 1 2 1 x (loga x ) ' .6 (arcsin x ) ' 1 .33 (arctan x ) ' 1 2 2 1 x 1 x (arccot x)' כלל השרשרת נניח כי נתונה פונקציה שהיא תוצאת הרכבה ונניח כי fגזירה בנקודה aוכי gגזירה בנקודה ) .f(aאז g°fגזירה בנקודה ) f(aומקימת את כלל השרשרת. הנסוח של ניוטון )( g f )'(a) g '( f (a)) f '(a נניח כי fפונקציה מציר xלציר , yו כי gפונקציה מציר yלציר , zאז לייבניץ סימן את ' fבסימן , dyאת ' gבסימן , dzואת ') (g°fבסימן , dz ))( g f )( x) g ( f ( x dx אז כלל השרשרת בסימון של לייבניץ הוא dy . dz dz dy dx dy dx dx נשתמש בגזירה בסימון של ניוטון ובשיטת ההצבה באינטגרלים ,בסימון של לייבניץ. דוגמא e g ( f ( x)), g ( x) e , f ( x) 5x, g '( x) g ( x), f '( x) 5, g '( f ( x)) e ,(e )' e5 x 5. 5x דוגמא 5x x 5x ) arcsin(xהיא פונקציה הפוכה לפונקציה ) sin(xולכן לפי הגדרת פונקציות הפוכות מתקיים .arcsin(sin(x))=xנגזור את שני האגפים, באגף שמאל נשתמש בכלל השרשרת ונקבל , arcsin'(sin(x))cos(x)=1 ולכן .נסמן ,cos(x)=√(1-sin2(x))=√(1-a2) .sin(x)=aולכן נקבל את 1 מה שכתוב בטבלה arcsin'(a) 2 1 a גזירה לוגריתמית ישנן פונקציות מעריכיות שבהן המשתנה xמופיע גם בבסיס וגם במעריך. אי אפשר לגזור אותן לפי כלל ,3ששם המעריך קבוע ,וגם לא לפי כלל 2 ששם הבסיס קבוע .נאלץ להשתמש בתחבולה .כידוע פונקצית החזקה והפונקציה הלוגריתמית הפוכות זו לזו ,והרכבתן זו על זו היא פונקצית הזהות ,ולכן )) . f ( x) g ( x) eln( f ( x) ) eg ( x)ln( f ( xנגזור ונשוה את שני האגפים כאשר נתיחס לאגף ימין כאל פונקציה מורכבת שבה החיצונית היא e x והפנימית היא המכפלה )) . g ( x)ln( f ( xולכן נקבל )g ( x )g ( x) f '( x )g ( x) f '( x ] f ( x) g ( x )[ g '( x)ln( f ( x)) ] )f ( x )f ( x [ f ( x) g ( x ) ]' e g ( x )ln( f ( x )) [ g '( x)ln( f ( x)) דוגמא גזור את . x xנציב בנוסחה f(x)=g(x)=xונקבל x1 ] x x (ln( x) 1). x ( x x )' x x [1ln( x) כללי l'hospital )f ( x . limכלל ל'הופיטל מאפשר לחשב את הגבול במקרים 0ו נתון הגבול x a )g ( x 0 )f ( x )f '( x lim . lim תוך שמוש בנגזרות .הכלל הוא xa xa )g '( x )g ( x חלק מהגבולות שקבלנו בסמסטר א כנתונים ,נובעים למעשה מכלל ל'הופיטל. )sin( x )cos( x , lim lim 1 x0 x0 1 x 1 ex lim 1 x0 1 x x e , lim x0 1 )ln(1 x lim 1 x 1 , lim x0 x0 x 1 x2 2x 2 2 lim x lim x 0 x x e x e x e lim הרחבת כללי ל'הופיטל עבור המקרה במקרה זה נשתמש בעובדה כי 0 0 1/ 0 0 1 1/ x 0 , x ונציג 1/ 0 , 0 או נפעיל את כלל ל'הופיטל על הבטוי הנוח יותר לגזירה. דוגמא: x e x lim x e x x 1/ x lim xe x lim x מהבטויים וכך נמשיך. במקרה זה קל יותר לגזור את הראשון x 1 1 lim x 0. x x e x e lim xe x lim הרחבת כללי ל'הופיטל עבור המקרים x 1 , 0 ,00 במקרה זה נשתמש בעובדה כי , eln x xולכן , eln f eg ln fונשים לב כי עבור המקרה של , 1נקבל כי , g ln( f ) ln(1) 0עבור המקרה של 00 ,נקבל כי ) , g ln( f ) 0ln(0) 0(ועבור המקרה של , 0נקבל כי , g ln( f ) 0ln() 0כלומר ) gln(fבכל מקרה הופך להיות המקרה 0 . limהתשובה וכעת נוכל להמשיך כמקודם ולחשב את g ( x) ln( f ( x)) L x a המלאה של התרגיל היא . e L g דוגמא: 1 . lim(1פתרון נפעיל את הטריק הכתוב ונקבל כי חשב את )n 1 n n 1 ) ln(1 n n , n ln(1 1 ) . 1 1 n 1 n ) ln(1 n 1 1 ) ln((1 )n ) n ln(1 1 1 1 n (1 ) n e n e ,lim n ln(1 ) 0, n ln(1 ) n n n n מבין שתי האופציות נעדיף את הראשונה אשר שואפת ל ,0/0ונמשיך 1 1 1 1 1 ) ln(1 ln(1 )n 2 ) ln(1 1 n lim n n 1,lim(1 1 ) n e1 e lim n ln(1 ) lim lim n n n n 1 1 n n 1 n 2 n n שמושי נגזרות לחקירת פונקציות. להלן תכונות של פונקציות אשר חלק מהן נוכיח אח"כ. .3נתון קטע ) (a,bאשר בו fמוגדרת גזירה ומתקיים כי . f'>0אז f עולה בקטע ).(a,b .2נתון קטע ) (a,bאשר בו fמוגדרת גזירה ומתקיים כי . f'<0אז f יורדת בקטע ).(a,b .1 .4 .5 .6 נתון קטע ) (a,bאשר בו fמוגדרת גזירה ונתונה נקודת קיצון מקומי .cאז .f'(c)=0 נתון קטע ) (a,bאשר בו fמוגדרת גזירה פעמיים ומתקיים כי f''>0 .אז fקמורה (מחייכת ,קמורה כלפי מעלה) בקטע ).(a,b נתון קטע ) (a,bאשר בו fמוגדרת גזירה פעמיים ומתקיים כי f''<0 .אז fקעורה (בוכה ,קמורה כלפי מטה) בקטע ).(a,b הגדרה :נקודת פתול היא נקודה בתחום ההגדרה שבה מתקיים כי fקמורה מצד אחד וקעורה מצד שני. נתון קטע ) (a,bאשר בו fמוגדרת גזירה פעמיים ונתונה נקודת פתול .cאז .f''(c)=0 דוגמאות y=2x+3 .3עולה בכל תחום הגדרתה ,ואכן .y'=2>0 y=-3x+4 .2יורדת בכל תחום הגדרתה ואכן .y'=-3<0 .1עבור a>0נביט ב ,y=ax2+bx+cאז ,y'=2ax+bו,y''=2a>0 ואכן '' yחיובי ו y-מחייכת תמיד y'>0 .שקול ל ,x>-b/2a כלומר yעולה החל מנקודת הקדקד ,ויורדת עד הקדקד. .4נביט על ,y=x3-3xאז .y'=3x2-3=3(x-1)(x+1),y''=6xכעת נחלק את הישר הממשי ע"י הוספת הנקודות ±1בהן 'y מתאפסת ,והנקודה 0בה '' yמתאפסת ונקבל את טבלת הסימנים (רבי יהודה) של ''.y',y הערה חשובה :בדרך כלל יש גם להוסיף לישר הממשי גם את הנקודות בהן '' y',yלא מוגדרות ובמקרה שלנו אין נקודות כאלו. קבלנו 4קטעים ,(-∞,-1)(-1,0)(0,1)(1,∞) ,ולכל אחד מהם נבחר נציג -2 .יכול להיות נציג של ) -0.5 ,(-∞,-1של ),(-1,0 0.5של ) (0,1ו 2-של )∞ .(1,את הנציגים נציב ב y',y''-ונקבל את טבלת הסימנים הבאה: )∞(1, - + )(0,1 + עולה ומחייכת - )(-∞,-1) (-1,0 + - - + יורדת ומחייכת יורדת ובוכה עולה ובוכה סימן של 'y סימן של ''y התנהגות y טבלה שכזו היא חלק חשוב בחקירה המלאה. אסימפטוטה. אסימפטוטה היא קו ישר אשר הפונקציה 'נדבקת' אליו. בדיחה :זהו ישר שהולך עם עקומה ולא נוגע בה .כיון שעוסקים בקוים ישרים יש לרשום את משואות כל הקוים הישרים במישור .המשואה y=mx+nנותנת את כל הפונקציות שהן בעלות גרף שהוא ישר m .הוא השפוע .לכזה קו נקרא ישר משופע .המשואה x=bהיא משואה של קו אנכי במישור. קו זה איננו משופע ואיננו גרף של פונקציה .ישר כזה יקרא ישר אנכי .לכן נבדיל בין אסימפטוטה אנכית (שהיא קו אנכי) ובין אסימפטוטה משופעת (שהיא קו משופע). אסימפטוטה אנכית. הישר x=cהוא אסימפטוטה אנכית של הגרף של ) ,y=f(xאם מתקיימים שני תנאים .קודם כל הערך x=cאיננו בתחום ההגדרה של .fבנוסף מתקים אחד לפחות מ 4-הגבולות הבאים f ( x) ,2) lim f ( x) ,3) lim f ( x) ,4) lim f ( x) 1) xlimאת c xc xc xc תנאי הגבולות ניתן לכתוב בקיצור כך lim f ( x) xc דוגמאות x=0היא אסימפטוטה אנכית של . y=1/x x=0היא אסימפטוטה אנכית של y=1/x2 x=0איננה אסימפטוטה אנכית של y=x2/xלמרות ש x=0לא בתחום ההגדרה ,כיון שאף אחד מ 4הגבולות לא מתקיים. אסימפטוטה משופעת ב∞ הישר y=mx+nהוא ישר האסימפטוטה המשופעת ב∞ ,אם )f ( x . m lim מתקיים ], n lim[ f ( x) mx x x x אסימפטוטה משופעת ב∞- הישר y=mx+nהוא ישר האסימפטוטה המשופעת ב∞ ,-אם )f ( x . m xlim מתקיים ], n lim[ f ( x) mx x x ידוע שעבור פונקציה רציונלית ) , p( xכאשר ) p(xו q(x)-הם )q( x פולינומים ,מתקיים כי y=mx+nהיא ישר אסימטוטה משופעת ב∞ ,אם ורק אם הוא ישר אסימפטוטה משופעת ב ∞ ,-כלומר בפונקציה שכזו מספיק לבדוק את האסימפטוטה המשופעת רק בצד אחד. דוגמא: מצא את כל האסימטוטות של x2 8 x 1 y תשובה :הנקודת היחידה שאיננה בתחום ההגדרה של yהיא .x=-1מתקיים 8 x2 8 , lim x1 x 1 x 1 0 0 2 x xlimכלומר 1 אכן זהו ישר אסימטוטה אנכי של .fבנוסף x 8 x2 8 x2 8 x2 8 x2 x m lim x 1 lim 1, n lim 1x lim 1 x x ( x 1) x x x 1 x x x 1 2 כלומר y=1x-1=x-1הוא אסימפטוטה משופעת ב∞ .אין צורך לבדוק ב∞ ,-כי כיון שזוהי פונקציה רציונלית,מנת שני פולינומים ,הרי שאותה אסימפטוטה משופעת נכונה גם ב∞+ וגם ב∞- דוגמא: מצא את כל האסימפטוטות של ).y=sin(x כיון שתחום ההגדרה של הפונקציה הוא כל ,Rאין אסימטוטה אנכית .עבור אסימטוטה משופעת נחשב ונקבל: sin( x) 1 sin( x) 1 1 )sin( x , ,lim 0,lim ) 0 m, n limsin( x) 0 x limsin( x x x x x x x x x x x x m lim הגבול שמגדיר את nלא קים ,כי למשל הסדרה 𝛱 xk=kמקיימת שהיא שואפת לאינסוף וסדרת ה -yשלה היא ,0ולעומתה הסדרה yk=(4k+1)𝛱/2מקיימת שהיא שואפת לאינסוף וסדרת ה -yשלה היא .3אותן תשובות מתקבלות כאשר x שואף ל ∞ -בכך קבלנו דוגמא לפונקציה חסרת אסימטוטות בכלל ,וכך שבחשוב האסימטוטה המשופעת שלה m ,קים ומוגדר אבל nלא קים. דוגמא: מצא את כל האסימפטוטות של .y=ex כיון שתחום ההגדרה של הפונקציה הוא כל ,Rאין אסימטוטה אנכית .עבור אסימטוטה משופעת נחשב ונקבל: ex lim x 1 x e . m limכיון ש mלא קים ,אין אסימפטוטה x x משופעת ב∞ .עבור ∞ ,-נקבל x e 0 0, n lim e x 0 x lim e x 0 x x x x m lim כלומר y=0אסימטוטה משופעת (למעשה עם שפוע 0ולכן אפקית) ב∞ .-כלומר קבלנו פונקציה (שאיננה פונקציה רציונלית) שיש לה אסימפטוטה משופעת במינוס אינסוף ואין לה אסימפטוטה משופעת באינסוף. המשפטים של החשבון הדיפרנציאלי. הגדרה :מקסימום מקומי ,מינימום מקומי ,קיצון מקומי. נתונה פונקציה ,fומספרים ,bו a>0כך שהקטע )(b-a,b+a הוא בתחום ההגדרה של .fנגיד כי ב b-יש מקסימום מקומי של ,fאם ל fהמצומצמת לקטע ) (b-a,b+aיש מקסימום בנקודה .b נגיד כי יש לה מינימום מקומי אם ל fהמצומצמת יש מינימום ב , bנגיד כי ל fיש קיצון מקומי ב b-אם יש לה מקסימום מקומי או מינימום מקומי. משפט פרמהFermat . נתונות פונקציה fונקודות קיצון מקומי bונתון כי )f'(b מוגדרת .אז .f'(b)=0 הוכחה נוכיח עבור מקסימום מקומי בלבד .ההוכחה למינימום מקומי דומה .נשתמש בהגדרת הנגזרת :מתקיים הגבול )f (b h) f (b . f '(b) limוהוא שוה לגבול מימין ומשמאל. h0 h נשתמש בגבול מימין .אז ,h>0ולפי תכונות המקסימום (עבור )0<h<aמתקיים ) ,f(b+h)≤f(bולכן המונה בגבול מקיים ,f(b+h)-f(b)≤0המכנה חיובי ולכן המנה ) f (b h) f (bהיא h קטנה או שוה ל ,0-והגבול מימין קטן או שוה ל .0-הגבול משמאל הוא גבול של בטויים שבהם המונה קטן או שוה ל,0- המכנה שלילי ,לכן המנה אי שלילית והגבול אי שלילי .אז הגבול ,שהוא גבול מימין ומשמאל הוא גם גדול או שוה וגם קטן או שוה ל ,0-ולכן הוא ∎ .0 משפט רול Rolle נתונה פונקציה fאשר מוגדרת בקטע ] ,[a,bרציפה בכל נקודות הקטע ,וגזירה בכל נקודות הקטע הפתוח ) ,(a,bונתון כי ) .f(a)=f(bאז קימת לפחות נקודה אחת ,cכך ש a<c<bוכך ש .f'(c)=0 הערה .יכולות להיות שתי נקודות כאלו או שלוש .לא אומרים איך למצוא את .c הוכחה כיון ש f-רציפה בקטע סגור ,אז לפי משפט וירשטרס יש נקודה cבקטע הסגור ] [a,bשבה מתקבל המקסימום של fעל הקטע. אם cבקטע הפתוח ,כלומר , c≠a,c≠bאז לפי ההגדרה cהיא נקודת מקסימום מקומי ולכן לפי משפט פרמה נובע כי ,f'(c)=0 והוכחנו את הטענה .יש גם לפי משפט וירשטרס נקודה dשבה ל f-יש את ערך המינימום בקטע .אם d≠a,d≠bנובע כי dהיא נקודת מינימום מקומי ושוב לפי משפט פרמה נובע כי ,f'(d)=0 והסתיימה ההוכחה. נותר להוכיח את המשפט רק עבור המקרה שבו c,dהן בקצות הקטע .המקסימום והמינימום של fהם ) f(aו ) .f(bאבל נתון כי ) ,f(a)=f(bולכן נובע כי fהיא הפןנקציה הקבועה .אבל אז f'=0בכל נקודות הקטע ] ,[a,bוברור שהיא מקיימת את המשפט∎ . משפט ערך הבינים של לגרנג' Lagrange נתונה פונקציה fאשר מוגדרת בקטע ] ,[a,bרציפה בכל נקודות הקטע ,וגזירה בכל נקודות הקטע הפתוח ) (a,bאז קימת )f (b) f (a לפחות נקודה אחת ,cכך ש a<c<bוכך ש f '(c) ba הערה .יכולות להיות שתי נקודות כאלו או שלוש .לא אומרים איך למצוא את .cכמו כן אם נציב את הנתון ) ,f(b)=f(aנקבל כי ,f'(c)=0כלומר משפט לגרנג' הופך להיות המשפט של רול. הוכחה גם הוכחת משפט לגרנג' מסתמכת על המשפט של רול .אנו לוקחים את הנתון על ,fומנסים לשנות את המצב כדי לקבל נתונים כמו במשפט רול .נגדיר ). k ( x) f (b) f (a) ( x a) f (a ba אז kהיא פונקציה ממעלה ראשונה ,ולכן הגרף שלה הוא קו ישר .על ידי הצבה רואים כי ) ,k(a)=f(a),k(b)=f(bכלומר הקו הישר שהוא הגרף של ,kמתלכד עם הגרף של fבנקודות הקצה .a,bברור כי kהיא פונקציה רציפה בקטע ] [a,bוגזירה בכל נקודות הקטע הפתוח ) .(a,bנגדיר כעת ) .h(x)=f(x)-k(xאז h היא הפרש של שתי פונקציות רציפות בקטע הסגור ולכן גם היא כזו ,והיא הפרש של שתי פונקציות גזירות בקטע הפתוח ולכן גם היא כזו ,ולפי הבניה ,h(b)=f(b)-k(b)=0 h(a)=f(a)-k(a)=0 ולכן hמקיימת את תנאי משפט רול ולכן יש נקודה cאחת לפחות שבה מתקיים .h'(c)=0 לפי ההגדרה ) ,h'=f'-k'=f'-(f(b)-f(a))/(b-aכלומר קיימת c אחת לפחות כך ש ,f'(c)-(f(b)-f(a))/(b-a)=0כדרוש∎ . קטעי עליה נניח כי נתונים פונקציה fמוגדרת ורציפה בכל נקודות הקטע ] ,[a,bולכל ,xכך ש a<x<bמוגדרת ) f'(xומתקיים כי .f'(x)>0 אז ] [a,bקטע עליה של .f הוכחה תהינה נתונות נקודות p,qכך ש ,a<p<q<bצ"ל כי ).f(p)<f(q נשים לב כי תנאי משפט לגרנג' קימים בקטע ] ,[p,qכי fרציפה בקטע הסגור וגזירה בפתוח .אז לפי מסקנת משפט לגרנג' קימת cאחת לפחות כך ש p<c<qוכך ש ) . f '(c) f (q) f ( pלפי ההנחה ,f'(c)>0ולכן המנה q p ) . f (q) f ( pהיא חיובית. q p כיון שהמכנה חיובי לפי הנתון ,גם המונה חיובי כדרוש∎ . קטעי ירידה נניח כי נתונים פונקציה fמוגדרת ורציפה בכל נקודות הקטע ] ,[a,bולכל ,xכך ש a<x<bמוגדרת ) f'(xומתקיים כי .f'(x)>0 אז ] [a,bקטע עליה של .f ההוכחה דומה מאוד להוכחת הטענה הקודמת. משפט ערך הבינים של קושי Cauchy נתונים הקטע ] ,[a,bופונקציות ,g,fאשר מוגדרות ורציפות בכל נקודות הקטע ,וגזירות בכל נקודות הקטע הפתוח ) ,(a,bוכך שלכל x,a<x<bמתקיים .g'(x)>0אז קימת לפחות נקודה אחת ,cכך ש a<c<bוכך ש ). f '(c) f (b) f (a )g (b) g (a )g '(c הערה .יכולות להיות שתי נקודות כאלו או שלוש .לא אומרים איך למצוא את .cכמו כן אם נציב את הנתון ,g(x)=xנקבל כי ,g'(c)=1,g(b)=b,g(a)=aכלומר משפט ערך הבינים של קושי הופך להיות משפט ערך הבינים של לגרנג'. הוכחה נשים לב כי לא יתכן כי ) g(a)=g(bכי אז gהיתה מקיימת את הנתונים של משפט רול ,ולכן גם את מסקנתו כלומר היה נובע כי יש cכך ש ,g'(c)=0סתירה לנתון .לכן ) g(b)-g(aשונה מ0- וניתן לחלק בו. נכליל את הוכחת משפט ערך הבינים של לגרנג' ,נביט בפונקציה hאשר הוגדרה שם ,וכל אות של משתנה או של קבוע נחליף בערך של gבאותה נקודה .כלומר במקום ) h( x) f ( x) k ( x) f ( x) f (b) f (a) ( x a) f (aנביט על ba ). h( x) f ( x) f (b) f (a) ( g ( x) g (a)) f (a )g (b) g (a קודם כל נשים לב כי לפי טענה קודמת נובע כי ) g(b)>g(aולכן g(b)-g(a)>0. חבור חסור כפל או חלוק בקבוע משאירים פונקציה רציפה רציפה ,ומשאירים פונקציה גזירה גזירה ,ולכן ) f (b) f (a) ( g ( x) g (a)) f (aמתקבלת מ gעל ידי חסור כפל )g (b) g (a וחלוקה בקבועים ,ולכן היא פונקציה רציפה בקטע הסגור וגזירה בפתוח .גם fרציפה בקטע הסגור וגזירה בפתוח ולכן כיון שחסור פונקציות רציפות היא רציפה וחסור שתי פונקציות גזירות היא גזירה ,נובע כי hהיא פונקציה רציפה ב ][a,b וגזירה ב ) .(a,bכמו כן לפי הנתון ,h(a)=h(b)=0ולכן מתקיימים תנאי משפט רול ,ולכן לפי מסקנת משפט רול קימת cאחת לפחות כך ש a<c<bוכך ש .h'(c)=0לפי הגדרת הנגזרת נובע כי h '(c) f '(c) f (b) f (a) g '(c) 0או על ידי העברת אגפים )g (b) g (a ) , f '(c) f (b) f (aכדרוש. )g '(c) g (b) g (a ∎ כלל ל'הופיטל עבור 0/0בנקודה סופית נתונים קטע ] [a,bופונקציות f,gאשר מוגדרות רציפות וגזירות limו .g'>0אז בקטע ) (a,bוכך שמתקיים f ( x) lim g ( x) 0 xb xb )f ( x )f '( x lim . lim מתקיים כי xb xb )g '( x )g ( x הוכחה , limניתן להרחיב את תחום כיון שמתקיים f ( x) lim g ( x) 0 xb xb ההגדרה של fושל gלקטע הסגור ] [a,bעל ידי זה שנגדיר .f(b)=g(b)=0אז מתקיים לפי משפט ערך הביניים של קושי שיימת נקודה cאחת לפחות x<c<b ,כך שמתקיים השויון ) f ( x) f ( x) 0 f ( x) f (b) f '(cולכן )g ( x) 0 g ( x) g (b) g '(c )f ( x )f '(c )f '(c lim lim , limכדרוש. )xb g ( x )xb , xcb g '(c )cb g '(c )g ( x ∎