background image

Teoria Analiza Matematyczna 
1. Kresy zbiorów, definicja. 

 

kresem górnym (zbioru niepustego i ograniczonego) 
nazywamy najmniejsze ograniczenie górne. 

Niepusty podzbiór X zawarty w prostej nazywamy ograniczonym z 

góry <=> 

M R

x X

x

M

 

 

kresem dolnym (zbioru niepustego i ograniczonego) 
nazywamy największe ograniczenie dolne. 

Niepusty podzbiór X zawarty w prostej nazywamy ograniczonym z 

dołu<=> 

m R

x X

x

m

 

 

 

2. Twierdzenie: a=sup x, b=inf x 
 

a= sup x <=>  1. a ogranicza X z góry 

 

 

 

2. 

lim

n



 

 

b= inf x <=>   1. b ogranicza X z dołu 

 

 

 

2. 

0

x X

x

b

 

 

 

 
3. Granica ciągu 

 

def. Liczbę a 

R nazywamy granicą ciągu a

n

 <=> 

0

n

n n

n

a

a

  

 

 

   Pokazać, że lim a

n

 =

2

3

, a

n

 =

2

3

3

2

n

n

 

   Załóżmy, że 

=

1

100

 

Czy istnieje 

1

100

n

 taka że 

2

1

3

100

n

a

 dla 

n>

1

100

n

  

2

3

2

1

3

2

3

100

n

n

 

3(2

3) 2(3

2)

1

3(3

2)

100

n

n

n

 

 

   

6

9

6

4

1

3(3

2)

100

n

n

n

 

 

 

13

1

3(3

2)

100

n

 

    

13

1

3(3

2)

100

n

 

1300<9n+6 
1294<9n 

n>154=

1

100

n

 

odp. A zatem dla n

155 wyrazy ciągu a

n

 

(

2

1

3

100

;

2

1

3

100

 
4. Twierdzenie o sumach, iloczynach itp. granic. 

Dowód: 

lim

n



 a

n

 =a; 

lim

n



 b

n

 =b 

Czy (a

+ b

)= a

+ b

n

 ? 

To znaczy czy dla dowolnie ustalonego 

>0 istnieje taka liczba 

n

, że 

dla n>

 

 

n

n

a

b

a b

 

Ustalamy 

>0.  

Ponieważ a

n

 

a, więc istnieje 

2

n

, że dla n>

2

n

  

2

n

a

a

 

 

Ponieważ b

n

 

b, więc istnieje 

2

n



, że dla n>

2

n



  

2

n

b

b

 

 

Przyjmijmy, że 

n

=max (

2

n



,

2

n

) Wówczas dla 

n>

n

 

n

n

a

b

a b

=

 

2 2

n

n

n

n

a a

b b

a a b b

 

         

 
 
5. Tw. Każdy ciąg zbieżny jest ograniczony. 

Przyjmujemy 

=1. Ponieważ a

n

 

a (jest zbieżny) 

więc istnieje n, że dla n>n

1

  

1

1

1

n

n

a

a

a

a

a

  

 

 

 

Przyjmujemy  m=min 

1

1

1, ,

,

n

a

a

a

 

 

 

M=max 

1

1

1, ,

,

n

a

a

a

 

Wówczas m

a

n

M dla każdego n

 
6. Twierdzenie o 3 ciągach. 

Dowód: Dane są ciągi a

n

 

 b

n

 

 c

. Jeśli 

lim

n



 a

n

 

lim

n



 c

n

 to także b

jest zbieżne do tej granicy. 

Oznaczamy 

lim

n



 a

n

 = 

lim

n



 c

n

 = g. Niech 

>0 

Z tego, że a

 

g istnieje n, że dla n>n”   g -

< a

<g 

 

Z tego, że c

 

g istnieje n, że dla n>n”   g -

< c

<g 

 

     A zatem dla n>max(n’;n”) g -

 

 b

g + 

 

 
7. Tw. Bolano-Weierstrassa  
Każdy ciąg ograniczony posiada podciąg zbieżny: 
Dowód: Wartości ciągu ograniczonego (a

) są zawarte w przedziale [m,M]. 

Podzielimy go na 2 równe części. W co najmniej jednej z nich znajduje się 
nieskończenie wiele wyrazów ciągu (a

). Oznaczamy tą część [m

1

,M

1

]  i niech 

(a

mn 

) oznacza podciąg nieskończony zawarty w [m

1

,M

1

]. Przyjmujemy b

=a

n1

Następnie dzielimy przedział [m

2

,M

2

] na dwie równe części w jednej z nich 

[m

2

,M

2

] znajduje się podciąg 

k

nm

a

 i przyjmujemy b

 

1

nm

a

 

 

Postępując tak dalej znajdujemy ciągi m

 b

M

gdzie b

jest 

podciągiem (a

) zaś (m

k

) i (M

k

) są monotoniczne i mają wspólną granice. A 

zatem z Tw. o trzech ciągach także podciąg b

jest zbieżny do tej granicy. 

 
 
Tw: Ciąg monotoniczny i ograniczony jest zbieżny. 
    Dowód: Niech ciąg (a

) będzie rosnący. Pokażemy że jest on zbieżny do 

liczby  

    a=sup {a

: n

N}.  

Ustalmy 

>0. Pokażemy że w odc. (a-

,a] znajdują się prawie 

wszystkie wyrazy ciągu a

 

 

1. a

n

a

sup{a

n

 

2. Z def. sup{a

n

} istnieje wyraz 

0

n

a

 >a-

. A zatem 

dla n>n

o

  

 

 

a-

0

n

a

< a

n

 

a czyli a

n

 

(a-

,a] 

 
8. Podstawowe granice: 

 

  

lim

n



 

1

n

a

 

 

Niech a

1. Oznaczamy 

1

n

n

a

c

 

Pokażemy, że 

n

c

0. Otóż 

n

c

 0 a więc a= (1+

n

c

)

2

3

1

0

1

2

3

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n c

c

c

c

c

n

 

 

 

 

 

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

n

a

c

n

 ] 

0 z tw. o 3 ciągach 

 

 

lim

0

n

n

n

a



 a>0 

Niech a=1+c gdzie c>0. Wówczas 

 

2

2

3

2

0

( 1)

1

1

1

2

3

2

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

a

n c

c

c

c

c

c

c

n

     

   

 

 

     

   

     

   

 

!

(

2)!(

1)

(

1)

2

(

2)!2!

(

2)2

2

n

n

n

n

n

n

n

n

n

 

 

 

 

2

2

0

(

1)

n

n

a

n

c

 

 

 

lim

0

!

n

n

a

n



 

Dowód: dla a=2 
 

3

2

2 2 2 2

4 1

!

1 2 3 4

3 2

n

n

n

n

n

   

 

  

   

 

 

 

0<

2

!

n

n

<

3

4 1

3 2

n

 

 

 

 

 

!

lim

0

n

n

n

n



 

Niech n=2k lub 2k +1. Wówczas 

!

1 2

(

1)

1

2

k

n

n

k

k

n

n

n n

n

n n

n

  

  

 

  

  

  

 

 

1

0

2

k

  

 

 

 

 
 

9. Liczba e. Dowód zbieżności 

1

1

n

n

. interpretacja. 

Rozpatrzmy ciąg 

1

1

n

n

. Pokażemy, że jest on 

ograniczony 

2

1

1

1

1

1

1 1

1

1 1

1

1

1

1 1

2

3

1

2

2! 3!

!

2 4

2

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

   

 

 

 

 

  

 

           

   

 

 

 

 

 

 

 

   

 

 

1

1

1

1

2

!

2

!

n

n

n

n

 

 

 
Z tej interpretacji wynika, że ciąg  jest rosnący a dalej zbieżny. Tą 

granice oznaczamy e

2,71828... 

 
Ex. Wpł. dzbanku 1zł na okres roku z oprocentowaniem 100%. Po 
roku będziemy mieli 1+1=2zł. Gdyby odsetki dopisywano po 

1

2

roku 

2

1

1

1

1

1

1

2

2

2

 

 

 

. Gdyby 

po 4 miesiącach 

3

1

1

1

1

1

1

1

1

3

3

3

3





 





 





 

background image

. Gdyby po n miesiącach to 

1

1

n

n

. A zatem ciąg 

1

1

n

n

jest rosnący. 

 
 
II. Przestrzenie metryczne. 
 10. Przestrzeń metryczna. Def i Ex. 
 

Def.  

  1. d (x,y) 

0    odległ 

  2. d (x, y) =0 

x=y 

  3. d (x, y) = d (y, x) symetryczne 

  4. d (x, y) + d (y, z) 

 d (x, z)- nierówność trójkąta 

 
 

11. Zbieżność ciągu w przestrzeni metrycznej. 

Def. Ciąg punktów 

( , )

n

x

X d

 nazywamy 

zbieżnym do punktu 

0

0

lim ( ,

)

0

n

n

x

X

d x x



 

 ( jako zwykły ciąg na prostej). 
Uwaga: Definicja ta jest zgodna ze zwykłą 
zbieżnością gdy X=R. 

 
 

12. Tw. zbieżność w R

n

 = zbieżność po współrzędnych. 

Dowód. 

 

 

(x

n,

 y

n

(x

0,

 y

0

) tzn. x

n

 x

y

n

 y

Dowód: Uwaga dla liczb a, b 

0 zachodzi nierówność 

2

2

max( , )

2 max( , )

a b

a

b

a b

a b

    

 
A zatem: 
Dla ciągu punktów z

=( x

n

, y

n

) i z

=( x

o

, y

o

0

0

0

max

0

( , )

( , )

( , ) 2

( , )

m

n

e

n

t

n

n

d z z

d z z

d z z

d

z z

 

 
  

Jeśli np. 

0

( ,

)

0

e

n

d z z

 lub 

0

( ,

)

0

n

d z z

 to 

0

( ,

)

0

m

n

d

z z

, dlatego reszta  metryk 

też dąży do zera. 

Ex. z

(1;

1

n

 

13. Zbiór otwarty, domknięty. Definicja. 

Zbiór domknięty: Podzbiór 

D

X

nazywamy domkniętym 

granica każdego ciągu punktów x

i

 

D zbieżnego w X należy do D. 

 

Podzbiór przestrzeni metrycznej 

U

X

nazywamy otwartym 

0

0

( , )

x U

r

K x r

U

 

 

 Ex. X=R

2

 (metoda Euklid.) U={(x,y): y>0} jest otwarty, bo 

jeśli K(( x

o

, y

o

);

0

2

y

)

U. 

14 TW Zbiór 

U

X

jest otwarty 

\

X U

 jest 

domknięty . 
Na prostej zbiór (a,b) jest zbiorem 
otwartym

\ ( , )

(

; ]

[

)

R

a b

a

b

 

  

zbio

rem domkniętym. 
15. TW. Suma dwóch zbiorów domkniętych jest zbiorem domkniętym. 

: ,

Z A B

X

zbiory domknięte 

: (

)

T

A

B

X

 domknięte 

Mamy pokazać że 

A

B

 jest domknięty tzn. [niech 

0

0

,

]

[

].

n

n

x

A

B x

x

x

A

B

 

 

Wówczas nieskończenie wiele wyrazów ciągu należy do A lub B . Przypuśćmy 

że do „A”. A więc ustalamy podciąg 

k

n

x

A

. Wówczas 

0

nk

x

x

 (jako podciąg) a zatem z domkniętości A,  

0

x

A

. A więc 

0

x

A

B

 

16. TW. Część wspólna skończonej ilości zbiorów domkniętych jest 
zbiorem domkniętym. 

Niech zbiór 

,

i

U

X i

I

będzie domkniętych. Czy 

i

z I

U

też jest zbiorem domkniętym. Mamy pokazać że 

1

2

(

...

)

n

U

U

U

 

 jest domknięty U

1,…,

U

n

  są 

domknięte czyli niech 

1

2

0

0

1

2

(

...

),[

] [

...

]

n

n

n

n

x

U U

U x

x

x U U

U

   

     

. Wówczas jako że x

należy do każdego U

i

 to znaczy że 

0

1

2

...

n

x

U

U

U

 

. A zatem część wspólna 

nieskończenie wielu zbiorów domkniętych jest zbiorem domkniętych. 
17. TW: Suma dowolnej ilości zbiorów otwartych  jest zbiorem otwartym. 

Niech zbiór 

,

i

U

X i

T

 będzie otwarte. Czy 

i I

 

U

i

 też jest otwarte. Niech 

0

i I

x



 U

i

 . To znaczy istnieje 

0

i

I

 takie że 

0

0

i

x

U

. Ponieważ U

i0

 jest otwarty więc 

istnieje r

0

>b takie że K(x

0

,r

0

)

0

i

U

. A więc 

K(x

0

,r

0

)

i I

i

U

 

.

  

19. TW. Odwzorowania ciągłe. Def. Heinego Couchy’ego i ich 
równoważności.  
Dane są przestrzenie metryczne (X, d

x

), (Y, d

y

) oraz odwzorowanie 

f:

X

Y

. Małe zmiany argumentów powodują małe zmiany 

funkcji. 

(Heine)Mówimy że funkcja f jest ciągła w punkcje x

dla każdego 

ciągu punktów x

n

 przestrzeni x zachodzi implikacja. 

0

0

(lim

)

(lim (

)

( ))

n

n

x

x

x

x

f x

f x





 
Funkcja przeprowadza ciągi zbieżne do x

0

 na ciągi zbieżne  do f(x

0

(couchy) Mówimy że funkcja f jest ciągła w punkcie 

0

0

0

0

(

( , )

)

( ( )

x

x X dX x x

dY f x

    

 

 i f(x

0

)<

 

 20. TW. Suma ,iloczyn, iloraz funkcji ciągłych f, g :

X

R

 są 

ciągłe.  
Dowód: korzystamy z def. Heinego. Mamy pokazać że dla każdego ciągu 

0

(

)

n

x

x

X

. Ciąg wartości f(x

n

)+g(x

n

) dąży do 

(f(x

0

)+g(x

0

)). 

Jest tak bo z założenia ciągłości funkcji 

0

(

)

( )

n

f x

f x

 

a z założenia f(x

n

)

0

( )

g x

. A więc 

0

0

( (

)

(

))

( ( )

( ))

n

n

f x

g x

f x

g x

 bo granica sumy = sumie granic. 
Podobnie dla iloczynu i ilorazu. 

0

0

( (

)

(

))

( ( )

( ))

n

n

f x

g x

f x

g x

  
21. Przestrzeń zwarta: definicja, przykłady 
Przestrzeń metryczną nazywamy zwartą każdy ciąg punktów tej przestrzeni 
posiada podciąg zbieżny. 

Ex.: odcinek domknięty [a,b]

R(tw. Bolano-Weistra.), prostokąt 

domknięty [a

1

,b

1

] [a

2

,b

2

] ze zwartości poszczególnych odcinków [a

1

,b

1

] [a

2

,b

2

wynika zbieżność odpowiednich !!!podciągów!!! x

nk 

--> x

0

[a

1

b

1

] etc.; kostka 

domknięta; każda przestrzeń skończona jest zwarta(metryczna); przestrzeń 
dyskretna jest zwarta gdy jest skończona. 
22. Każda przestrzeń metryczna skończona jest zwarta 
Bo każdy ciąg x

n

 przyjmuje jedna z wartości nieskończenie wiele razy. A to 

daje podciąg stały. 

23. TW. Podzbiór A

R

n

 jest zwarty  jest domknięty i ograniczony 

Dowód: Jeśli A

R

n

 jest domknięty i ograniczony to jest zwarty w pewnej 

kuli K(0;R). Z kolei kula ta jest zwarta w pewnej kostce domkniętej 

K(0;R)

[-R,R]x…x[-R,R], a kostka jest zbiorem zwartym. 

 

Czy A jako podzbiór zbioru zwartego jest zwarty => Niech A

R

n

 będzie 

zwarty. Jako zwarty jest ograniczony. Pozostaje pokazać że A jest domkniety. 

Niech (a

n

) będzie ciagiem punktów i A zbieżny x

0

R

n

 . Czy x

0

A??? 

Ze zwartości ciągu (a

n

) posiada podciąg zbieżny do punktu a

0

<A. A podciąg 

ten jest zbieżny do x

0

. A więc x

0

 = a

0

A. 

24. TW. Weierstrassa: F-cja f:X

R (X zwarta) jest ograniczona i osiąga 

swoje kresy. 
Dowód:  

1. 

Wobec lematu (obraz ciągły przestrzeni jest przestrzenią 

zwartą) f(x)

R jest zbiorem zwartym. A więc jest 

ograniczony czyli istnieja liczby m,M dla których 

f(x)

[m,M] 

2. 

Skoro f(x)

R jest zwarty to jest i domknięty. A zatem 

zawiera swoje kresy czyli istnieją punkty X 

-

 , X

+

  dla 

których f(X

+

) = sup f(x), f(X

 - 

)= inf f(x) 

25. Przestrzeń spójna: definicja przykłady 
Przestrzeń metryczna  nazywamy spójną istnieją zbiory niepuste i otwarte 

U,V

X takie, że nie da się przedstawić (nie zachodzą „relacje”)  

U

V = X    U

V = 

 

Ex.: R jest spójne, C jest spójne. Każdy przedział liczbowy jest spójny.  
26. Łukowa spójność. Każda przestrzeń łukowo spójna jest spójna. 

Funkcja f:X

Y jest ciągła  przeciwobrazem zbioru otwartego jest 

zbiór otwarty. 
Nie wprost: Zakładamy, że przestrzeń X jest łukowo spójna ale nie jest spójna. 

Tzn. X=U

V gdzie U i V są otwarte, rozłączne i niepuste. Ustalamy 

punkty a

U, b

V. Z założenia łukowej spójności istnieje droga U:[0,1] 

X taka, że w(0)=a i w(1)=b. Zauważmy, ze [0,1]=w

-1

(X)=w

-1

U

w

-

1

V. Ponadto zbiory  w

-1

U, w

-1

V  są rozłączne, otwarte, niepuste. A to dowodzi, 

że odcinek [a,b] jest niespójny.   Sprzeczność.!!! 
27. TW. Darboux. Każdy wielomian stopnia nieparzystego posiada pierwiastek 
rzeczywisty. 

f(x)=a

0

x

n

+a

1

x

n-1

+…+a

n

 gdzie n-nieparzyste. Wówczas 

lim

x



f(x)=+

  

a

0

>0. 

lim

x



f(x)= 



, a zatem istnieją liczby T,t dla których f(T)>0 i 

f(t)<0. Stąd z własności Darboux istnieje x

(T,t) w którym f(x

0

)=0. 

RACHUNEK RÓŻNICZKOWY I CAŁKOWY 
28. Iloraz różnicowy i jego interpretacja. Definicja pochodnej (styczna, 
prędkość) 
Ilorazem różnicowym nazywamy wyrażenie 

0

0

(

)

( )

f x

h

f x

h

 

. Liczbę h nazywamy przyrostem 

argumentu, inne oznaczenia 

h

x

 

. Zaś 

0

0

(

)

( )

f

f x

h

f x

 

 

 przyrostem funkcji. 

Wówczas iloraz różnicowy to 

f

x

.   

Interpretacja geometryczna 

f

tg

x

 

 

tg  kata nachylenia 

siecznej z osią OX. 

Interpretacja fizyczna 

0

0

(

)

( )

s t

h

s t

h

 

. S(t

0

) oznacz 

położenie ciała w chwili t. Wówczas 

0

0

(

)

(

)

s t

h

s t

h

 

oznacza średnią prędkość w czasie [t

0

,t

0

+h].  

Pochodna funkcji f w punkcie x

0

 nazywamy granicę ilorazu różnicowego 

0

0

(

)

(

)

lim

x

f x

h

f x

h



 o ile istnieje. Oznaczamy 

f

(x

0

)= 

dt

dx

(x

0

).  Interpretacja pochodnej – prędkość chwilowa. 

 

29. TW. Fermata (ekstremum

f

(x)=0. ) 

Dowód: Załóżmy, że f  posiada w x

0

 maksimum lokalne. Oznacza to, że 

f(x)

f(x

0

) dla wszystkich x

(

0

0

,

x

x

) i pewnego 

0

. A zatem dla 

0

x

x

 iloraz różnicowy 

0

0

( )

(

)

0

f x

f x

x

x

 zas dla x<x

0

  jest dodatni. A zatem 

granica o ile istnieje musi być 0. 
30. TW.Rolle’a (o zerowaniu się pochodnej) 
Warunek konieczny do istnienia ekstremum. Czy war. konieczny??  

Jeśli f:[a,b] 

R ma wszędzie pochodną oraz f(a)=f(b) to istnieje punkt c 

(a,b) w którym f

(c)=0. Dowód: 

1. 

jeśli f jest stała to f’=0 

2. 

jeśli f nie jest stała to dla pewnego x

(a,b) zachodzi 

f(x)=f(a). Załóżmy f(x)>f(a). Wówczas z tw. Weierstrassa f 

osiąga swoje maksimum w punkcie c

(a,b). A zatem z 

(tw. Fermata) f’(c)=0. 

31. TW. Lagrange’a (dowód) 

Jeśli f:[a,b] 

R  jest ciagła na [a,b] oraz posiada pochodna w (a,b) to 

wówczas istnieje c

(a,b) takie, że f(b)-f(a)=f’(c)(b-a). 

Dowód: 

Mamy znaleźć punkt  c

(a,b) spełniający 

( )

( )

'( )

f b

f a

f c

b a

 czyli szukamy punktu w 

którym styczna jest równoległa do siecznej przechodzącej przez punkty (a,f(a)) 
oraz (b,f(b)). Określamy funkcje pomocniczą 

background image

( )

( )

( )

( )

( )

(

)

f b

f a

g x

f x

f a

x a

b a

Funkcja spełnia  założenia Rolle’a  g(a)=g(b)=0. A zatem istnieje punkt 

c

(a,b) w którym g’(c)=0. A zatem 

0=g’(c)=

( )

( )

'( )

f b

f a

f

c

b

a

 skąd 

( )

( )

'( )

f b

f a

f

c

b

a

32. Reguła de l’Hospitala 
Jeśli funkcje f i g są określone w przedziale [a,b] oraz  

1. 

lim ( )

0

x

a

f x

 

2. 

lim ( )

0

x

b

g x

 

3. istnieją skończone pochodne f’(a), g’(a) przy czym g’(a)

0 wówczas 

( )

'( )

lim

( )

'( )

x

a

f

x

f

x

g x

g

x

 

33. Sumy całkowe Reimanna. Całka oznaczona. 

Ustalamy podział odcinka [a;b] na części. W każdej wybieramy punkt 

k

Tworzymy sumę 

1

(

)

n

k

k

k

f

x

. Sumę tą nazywamy 

sumą całkową Reimanna. Zależy ona od wybranego przedziału [a;b] i selekcji 

i

. Suma ta daje łączne pole prostokątów opisanych na wykresie. 

34. Interpretacja całki oznaczonej. 
Geometryczna- pole pod wykresem funkcji  
Fizyczna- Niech w każdym punkcie odcinka [a;b] działa F(x) skierowana 

wzdłuż prostej. Wówczas 

( )

b

a

W

f x dx

 

35. Zasadnicze twierdzenie rachunku różniczkowego i całkowego. Uzasadnić 
że funkcja górnej granicy całki jest funkcją pierwotną. 

1.Niech 

:[ ; ]

f

a b

R

 będzie całkowalna. Dla ustalonego 

[ ; ]

X

a b

 określamy 

( )

( )

b

a

F x

f t dt

 . 

Funkcję F(x) nazywamy funkcją górnej granicy całkowania. 

2. Ustalamy 

[ ; ]

X

a b

 oraz h>0. Badamy iloraz różniczkowy . Z 

twierdzenia o wartości średniej dla całki istnieje 

[ ,

]

c

x x h

 

spełniające 

( )

( )

x h

x

f t dt

f c

h

. Wówczas  

( )

( ( )

)

( )

( )

( )

x h

x

f t dt

F x

h

F x

f c

f x

h

h

 

 

gdy 

0

h

 

A to oznacza że 

( )

( )

F x

f x