background image

§ 25. Pochodna funkcji zmiennej rzeczywistej

145

c

1

= +∞. Przyjmując a, f (a)

, z

n

x

n

, f (x

n

)

 mamy wtedy z

n

→ z

z

n

− z

||z

n

− z||

=

(1(x

n

)1)

||(1(x

n

)1)||

→ (01),

a więc (0,1) jest wektorem stycznym do wykresu funkcji w punkcie (a, f (a)),

co nie jest możliwe, bo t(1, c6= (01) dla t ∈r. Zatem c

1

6= +. Podobnie

c

1

6−∞. Załóżmy wobec tego, że c

1

R. W tym przypadku

z

n

− z

||z

n

− z||

=

(1, ϕ(x

n

))

||(1, ϕ(x

n

))||

1, c

1

)

||(1, c

1

)||

,

co dowodzi, że (1, c

1

) jest wektorem stycznym do wykresu funkcji w punkcie

a, f (a)

. Stąd (1, c

1

) = t(1, c), t ∈

R, więc c

1

c, tzn. lim

n→∞

ϕ(x

n

) = c, wbrew

złożeniu (7).

W ten sposób dowiedliśmy, że

lim

x→a

+

ϕ(x) = c. Podobnie dowodzi się, że

lim

x→a

ϕ(x) = c. Zatem istnieje f

0

(a) = c.

Zauważmy, że w twierdzeniu tym trzeba założyć ciagłość funkcji w punkcie

a, gdyż nie wynika ona z założonego istnienia stycznej postaci (6).

Na przykład funkcja

(x) =

n

1

dla =

1

n

, n = 12, . . . ,

0

dla pozostałych x ∈

R

jest nieciągła w punkcie = 0a jej wykres ma styczną w punkcie (0, f (0)) = (00) -jest nią

prosta o równaniu = 0.

Twierdzenie 2 można bez trudu uogólnić na przypadek, gdy YR

k

. Pozo-

staje również prawdziwe dla każdej przestrzeni Banacha o wymiarze dim Y <
+∞. Przestaje obowiązywać, gdy dim = +∞ (zob. ćwicz. 2).

Rysunek 8 ilustruje pojęcie prostej stycznej do wykresu funkcji w przypadku

Y=R, rysu-

nek 9- w przypadku Y=R

2

(por. tw. 9).

10 Analiza matematyczna

background image

146

III. Wstępne wiadomości z rachunku różniczkowego i całkowego

3. Podstawowe reguły różniczkowania. W sformułowanych niżej twier-

dzeniach są podzbiorami przestrzeni liczb rzeczywistych R, litery Y, Y

i

, Z

oznaczają pewne przestrzenie unormowane nad ciałem skalarów K.

T

WIERDZENIE

3.Jeżeli funkcje f, gD → Y są różniczkowalne w punkcie a

∈ D, to funkcje f g i f − g też są różniczkowalne w punkcie a oraz

(g)

0

(a) = f

0

(a) + g

0

(a)(f − g)

0

(a) = f

0

(a− g

0

(a).

Jeżeli funkcje f i g są różniczkowalne, to funkcjef gi f − g też są różnicz-

kowalne oraz

(g)

0

f

0

g

0

(f − g)

0

f

0

− g

0

.

D o w ó d. Ponieważ

(f

+

−g)(x− (f

+

− g)(a)

(x − a)

=

(x− f (a)

(x − a)

+

g(x− g(a)

x − a

,

więc pierwsza część twierdzenia wynika z twierdzenia o granicy sumy i różnicy.

Druga część twierdzenia jest wnioskiem z części pierwszej.
T

WIERDZENIE

4.Jeżeli funkcja f D → gD → Y

są różniczkowalne w

punkcie a ∈ D, to funkcja f g też jest różniczkowalna w punkcie a oraz

(f g)

0

(a) = f

0

(a)g(a) + (a)g

0

(a).

Jeżeli funkcje f i g są różniczkowalne, to funkcja f g jest też różniczkowalna

(f g)

0

f

0

f g

0

.

D o w ó d. Pierwsza część twierdzenia jest wnioskiem z równości

(f g)(x− (f g)(a)

x − a

=

(x− f (a)

x − a

g(x) + (a)

g(x− g(a)

x − a

oraz z ciągłości funkcji w punkcie a, która jest konsekwencja jej różniczkowal-
ności w tym punkcie,

Druga część twierdzenia wynika z pierwszej.
Z twierdzenia 4, uwzględniając, że funkcja stała ma pochodną równą zeru

otrzymujemy natychmiast

T

WIERDZENIE

5 . Jeźeli funkcja f → Y

jest różniczkowalna w punkcie

a ∈ D, to dla każdej λ ∈ funkcja λf jest różniczkowalna w punkcie a oraz

(λf )

0

(a) = λf

0

(a).

Jeżeli funkcja f jest różniczkowalna to funkcja λf też jest różniczkowalna

(λf )

0

λf

0

.

background image

§ 25. Pochodna funkcji zmiennej rzeczywistej

147

T

WIERDZENIE

6. Jeżeli funkcje f D → Y i gD → są różniczkowalne w

punkcie a ∈ D i g(x6= 0 dla każdego x ∈ D, to funkcja f /g jest różniczkowalna
w punkcie a oraz

(

f

g

)

0

(a) =

f

0

(a)g(a− f (a)g

0

(a)

(g(a))

2

.

Jeżeli funkcje f i g różniczkowalne, to funkcja f /g też jest różniczkowalna

(

f

g

)

0

=

f

0

g − f g

0

g

2

.

D o w ó d. Ponieważ

(1/g)(x− (1/g)(a)

x − a

g(x− g(a)

x − a

·

1

g(x)g(a)

,

więc uwzględniąjąc ciągłość funkcji w punkcie otrzymujemy

(9)

(

1

g

)

0

(a) = 

g

0

(a)

(g(a))

2

.

Wzór (8) wynika z (9) i twierdzenia 4, bo f /g jest iloczynem 1/g przez .
Druga część twierdzenia jest wnioskiem z części pierwszej.
T

WIERDZENIE

7.Jeżeli f D → Y jest różniczkowalna w punkcie a ∈ D, to

dla każdej funkcji ϕ ∈ L(Zfunkcja ϕ ◦ f jest różniczkowalna w punkcie a

(ϕ ◦ f )

0

(a) = ϕ(f

0

(a)).

Jeżeli f jest funkcją różniczkowalną, to ϕ ◦ f jest funkcją różniczkowalną

oraz

(ϕ ◦ f )

0

ϕ ◦ f

0

.

D o w ó d. Wystarczy dowieść pierwszej części twierdzenia. Jest ona wnio-

skiem z równości

(ϕ ◦ f )(x− (ϕ ◦ f )(z)

x − a

ϕ(

(x− f (a)

x − a

)

i z ciagłości funkcji ϕ.
T

WIERDZENIE

8. Jeżeli f D → E jest funkcja różniczkowalna w punkcie

a ∈ D oraz gE → Y jest funkcja różniczkowalna w punkcie b (a), to g ◦ f
jest funkcja różniczkowalna w punkcie a oraz

(10)

(g ◦ f )

0

(a) = g

0

(b)f

0

(a).

Jeżeli funkcje f i g są różniczkowalne, to g ◦ f jest funkcja różniczkowalna

background image

148

III. Wstępne wiadomości z rachunku różniczkowego i całkowego

(g ◦ f )

0

= (g

0

◦ f )f

0

.

D o w ó d. Niech

ε(y) =

(

g(y)−g(b)

y−b

dla y ∈ E \ {b}

0

dla b.

Wtedy

g(y− g(b) = g

0

(b)(y − b) + ε(y)(y − b).

Podtawiając (x) i uwzględniając, że (a)dostajemy

(11)

(g ◦ f )(x− (g ◦ f )(a)

x − a

g

0

(b)

(x− f (a)

x − a

ε((x))

(x− f (a)

x − a

.

Funkcja ε jest ciągła w punkcie (a), a funkcja ciągła w punkcie a,

więc lim

x→a

ε((x)) = ε(b) = 0 wobec tego z równości (11) w granicy dla x → a

dostajemy (10).

Druga część twierdzenia jest wnioskiem z części pierwszej.
T

WIERDZENIE

9. Funkcje F D → Y

1

× . . . × Y

k

, F = (f

1

, . . . , f

k

), jest róż-

niczkowalna w punkcie a ∈ D wtedy i tylko wtedy, gdy wszystkie jej współrzędne
f

1

, . . . , f

k

są różniczkowalne w punkcie a. Przy tym

F

0

(a) = f

0

1

(a), . . . , f

0

k

(a)

.

Funkcja F jest różniczkowalna wtedy i tylko wtedy, gdy są różniczkowalne

wszystkie jej współrzędne i wówczas

F

0

= (f

0

1

, . . . , f

0

k

).

D o w ó d. Wystarczy zauważyć, że

(x− F (a)

x − a

=

f

1

(x− f

1

(a)

x − a

, . . . ,

f

k

(x− f

k

(a)

x − a



i powołać się na twierdzenie 4 z § 9.

ćwiczenia
1. 
Niech : (1; 1) → l (zob. § 23, ćwicz. 3) będzie funkcją określoną nastepujaco:

(x) = (x, x

2

, . . . , x

l

, . . .),

Zbadać różniczkowalność funkcji w punkcie = 0.

2. Rozważmy funkcje → l określoną następująco:

(x) =



1
n

e

n

dla =

1

n

, n = 12, . . . ,

0

dla pozostałych x ∈

R

background image

§ 25. Pochodna funkcji zmiennej rzeczywistej

149

oznaczenia takie jak w ćwicz. 3 z § 23). Dowieść, że funkcja jest ciagła w punkcie
= 0, nie jest różniczkowalna w tym punkcie i że styczna do wykresu funkcji w
punkcie (0, f (0)) jest prostą o równaniu = 0.

3. Niech f

i

D → Y

i

(= 12, . . . , k), ϕ ∈ L(Y

1

, . . . , Y

k

Z) (D ⊂ , Y

1

, . . . , Y

k

Z

-przestrzeniu unormowane). Dowieść, że jeżeli funkcje f

1

, . . . , f

k

są różniczkowalne w

punkcie a, to funkcja ψD → Z gdzie

ψ(x) = ϕ(f

1

(x), . . . , f

k

(x)),

jest różniczkowalna w punkcie i

ψ

0

(a) =

k

X

i=1

ϕ(f

1

(a), . . . , f

i−1

(a), f

0

1

(a), f

i+1

(a), . . . , f

k

(a)).

4. Niech D ⊂ Rf

ij

D → R

k

(= 12, . . . , k) - funkcje roźniczkowalne w punkcie

ψ→ gdzie

ψ(x) = det[f

ij

(x)].

Wyznaczyć ψ

0

(a).

Wskazówka. Zob. poprzednie ćwiczenie.

Odpowiedz. f.

0

(0) = (100, . . .).

background image

150

III. Wstępne wiadomości z rachunku różniczkowego i całkowego

§ 26. Pochodna funkcji zmiennej rzeczywistej o wartościach
rzeczywistych.

1. Przykłady. 1. Dla każdego x i dowolnego naturalnego k

(x

k

)

0

kx

k−1

(x

k

)

1

(dla = 1, x = 0 umawiamy sie, że 0

0

= 1).

Dowodzimy tego za pomocą indukcji. Dla = 1 prawdziwość wzoru, który w

tym przypadku przyjmuje postać (x)

0

= 1, wynika wprost z definicji. Zakładając

jego słuszność dle pewnego z równości x

k+1

x

k

wnosimy, że (x

k+1

)

0

=

(x

k

)

0

x

k

(x)

0

kx

k−1

x

k

= (+ 1)x

k

.

2. Dla x 6= 0 i dowolnego naturalnego k

(

1

x

k

)

0

−k

1

x

k+1

.

Na mocy wzoru z poprzedniego przykładu i wzoru (9) z § 25

(

1

x

k

)

0

(x

k

)

0

(x

k

)

2

kx

k−1

x

2

k

−k

1

x

k+1

.

3. Jeżeli a > 0, a 6= 0, to dla każdego x > 0

(1)

(log

a

x)

0

=

1

log

a

, w szczególności (log x)

0

=

1

x

.

Niech x

n

0, x

n

6(= 12, . . .) i x

n

→ x. Mamy

(2)

log

a

x

n

− log

a

x

x

n

− x

=

1

log a

·

log(1 − y

n

)

y

n

,

gdzie y

n

=

1

x

(x

n

− x) (= 12, . . .). Ponieważ y

n

> −1 i y

n

→ 0, więc

log(1 + y

n

)

y

n

→ 1

(zob. § 18, wzór (6)) i w takim razie z (2) wynika, źe

log

a

x

n

− log

a

x

x

n

− x

1

log a

,

co dowodzi wzoru (1).

Uogólnieniem drugiego ze wzorów (1) jest

(log |x|)

0

=

1

x

dla x 6= 0

1

oznacza pochodną funkcji x → x

k

w punkcie symbol f

0

(x) został zastapiony znacznie

wygodniejszym- chociaż niezbyt poprawnym- oznaczeniem ((x))

0

. Tak samo postępujemy w

dalszych przykładach.

background image

§ 26. Pochodna funkcji zmiennej rzeczywistej o wartościach rzeczywistych

151

4. Jeżeli a > , to dla każdego x

(3)

(a

x

)

0

a

x

log a, w szczególności (e

x

)

0

e

x

.

Niech x

n

6(= 12, . . .), x

n

→ x. Przyjmijmy y

n

a

x

n

−x

− 1Wtedy

(4)

a

x

n

− a

x

x

n

− x

a

x

log a

y

n

log(1 + y

n

)

dla = 12, . . . . Ponieważ y

n

> −1 i y

n

→ 0więc tak samo jak w poprzed-

nim przykładzie z (4) wnosimy, że

a

x

n

− a

x

x

n

− x

→ a

x

log a.

5. Dla dowolnego α i każdego x > 0

(x

α

)

0

αx

α−1

.

Ponieważ

x

α

e

α log x

.

więc na mocy wzorów z przykładów 3 i 4 oraz twierdzenia 8 z § 25 o różniczko-
waniu złożenia

(x

α

)

0

e

α log x

(α log x)

0

e

α log x

α

x

αx

α−1

.

6. Dla każdego x

(sin x)

0

= cos x, (cos x)

0

− sin x.

Niech x

n

¬x (= 12, . . .), x

n

→ x. Mamy

sin x

n

− sin x

x

n

− x

=

sin y

n

y

n

cos(y

n

),

cos x

n

− cos x

x

n

− x

sin y

n

y

n

sin(y

n

),

gdzie y

n

=

1
2

(x

n

−x→ 0. Ponieważ

sin y

n

y

n

→ 1 (zob. § 9, przykład 3) i cos(x+

y

n

→ cos x, sin(y

n

→ sin wobec ciagłości funkcji trygonometrycznych,

wiec

sin x

n

− sin x

x

n

− x

→ cos x

cos x

n

− cos x

x

n

− x

→ − sin x

7. Wyprowadzimy teraz wzory

background image

152

III. Wstępne wiadomości z rachunku różniczkowego i całkowego

(tg x)

0

=

1

cos

2

x

dlax 6=

1

2

π kπ (= 0,

+

− 1, . . .),

(ctgh x)

0

=

1

sin

2

x

dlax 6kπ (= 0,

+

− 1, . . .),

Na mocy twierdzenia 6 z § 25 o różniczkowaniu ilorazu i wzorów z poprzed-

niego przykładu

(tg x)

0

= (

sin x

cos x

)

0

=

(sin x)

0

cos x − sin x(cos x)

0

cos

2

x

=

cos

2

+ sin

2

x

cos

2

x

=

1

cos

2

x

.

Podobnie wyprowadza się drugi wzór.
Zanim przejdziemy do następnych przykładów, udowodnimy następujące
T

WIERDZENIE

1. Jeżeli f : (ab→ jest funkcją ciągłą i ściśle monotonicz-

ną, różniczkowalną w punkcie x ∈ (abi f

0

(x6= 0, to funkcja odwrotna f

1

jest różniczkowalna w punkcie y (xoraz

(f

1

)

0

(y) =

1

f

0

(x)

.

D o w ó d. Zbiór wartości funkcji , będący dziedziną funkcji f

1

(= 12, . . .).

Dla dowolnego ciągu (y

n

) punktów tego przedziału, gdzie y

n

6(= 12, . . .)

y

n

→ y, mamy

(5)

f

1

(y

n

− f

1

(y)

y

n

− y

=

x

n

− x

(x

n

− f (x)

,

gdzie x

n

f

1

(y

n

) (= 12, . . .)Ponieważ funkcja f

1

jest ciągła (zob, §18,

tw. 5), więc x

n

→ f

1

(y) = x. Stąd i z (5)

f

1

(y

n

− f

1

(y)

y

n

− y

1

f

0

(x)

Następne przykłady ilustrują to twierdzenie.
8. Dla każdego x ∈ (11)

(arc sin x)

0

=

1

− x

2

,

(arc cos x)

0

1

− x

2

.

Dla dowodu weźmiemy jako w twierdzeniu 1 funkcje x → sin zreduko-

waną do przedziału (

1
2

π;

1
2

π). Otrzymujemy

(arc sin y)

0

=

1

(sin x)

0

=

1

cos x

=

1

p

− sin

2

x

=

1

p

− y

2

.

Drugi wzór wyprowadza się zupełnie podobnie.

9. Dla każdego x

background image

§ 26. Pochodna funkcji zmiennej rzeczywistej o wartościach rzeczywistych

153

(arc tg x)

0

=

1

1 + x

2

Z twierdzenia 1, biorąc za funkcje x → tg zredukowaną do przedziału

(

1
2

π;

1
2

π) , wnosimy, że

(arc tg y)

0

=

1

(tg x)

0

= cos

2

=

1

1 + tg

2

x

=

1

1 + y

2

otrzymując pierwszy wzór. Wyprowadzenie drugiego jest podobne.

2. Pochodna nieskończona. W przypadku funkcji o wartościach rzeczy-

wistych pojęcie pochodnej można rozszerzyć, przyjmując

f

0

(a) = lim

n→a

(x− f (a)

x − a

zawsze, gdy istnieje granica po prawej stronie w konsekwencji może być

f

0

(a) = +∞ oraz f

0

(a) = −∞. Nie będziemy jednak rozszerzać pojęcia różnicz-

kowalności funkcji, tzn. za różniczkowalna w punkcie bedziemy uważać funkcje
wtedy, gdy f

0

(a) jest liczbą skończoną.

Można łatwo udowodnić
T

WIERDZENIE

2. Jeżeli funkcja f → jest ciągła w punkcie a ∈ IntD,

to istnienie niskończonej pochodnej f

0

(ajest równoważna temu, że prosta o

równaniu x a jest styczna do wykresu funkcji f w punkcie (a, f (a)).

Niech na przykład

(x) =

3

x, x ∈ R.

Mamy

f

0

(0) = lim

n→0

3

x

x

= lim

n→0

1

3

x

2

= +∞.

Styczną do wykresu funkcji w punkcie (0, f (0)) = (00) jest prosta o równaniu = 0.

3. Twierdzenie Rolle’a, Lagrange’a i Cauchy’ego. Udowodnimy naj-

pierw następujący

L

EMAT

(Fermata). Jeżeli D⊂ RD→ Rξ ∈ Int(x­ f (ξ) (albo

(x¬ f (ξ)) dla każdego x ∈ Dto z istnienia pochodnej funkcji f w punkcie ξ
wynika, że f

0

(ξ) = 0 .

Dowód. Istnieje δ > 0 takie, że hξ−δ, ξ+δi ⊂ D. Niech x

n

ξ+δ(1)

n

/n (=

12, . . .).
Ponieważ x

n

6ξ x

n

→ ξ, więc

lim

n→∞

(x

n

− f (ξ)

x

n

− ξ

f

0

(ξ).

Jeżeli (x­ f (ξ) dla każdego x ∈ D, to

(x

2

k− f (ξ)

x

2

k − ξ

­ ­

(x

2k−1

− f (ξ)

x

2k−1

− ξ

background image

154

III. Wstępne wiadomości z rachunku różniczkowego i całkowego

(= 12, . . .) i w granicy dla k → ∞ otrzymujemy f

0

(ξ­ ­ f

0

(ξ). Stąd

f

0

(ξ) = 0.

Podobnie rozumie się, gdy (x¬ f (ξ) dla każdego x ∈D.
T

WIERDZENIE

3. (Rolle’a). Jeżeli f habi → jest funkcją ciągła mającą

pochodną w każdym punkcie przedziału (abi f (a) = (b), to istnieje punkt
ξ ∈ 
(abtaki,że f

0

(ξ) = 0.

D o w ó d. Ponieważ przedział habi jest zbiorem zwartym, więc z twierdzenia

Weierstrassa (§17, tw. 8) wynika istnienie takich punktów x

1

, x

2

∈ habi, że

(x

1

¬ f (x¬ f (x

2

)

dla każdego x ∈ habi,
Jeżeli (x

1

) = (x

2

) , to funkcja jest stała, więc f

0

(x) = 0 dla każdego

x ∈ habi.

Jeżeli (x

1

< f (x

2

), to z równości (a) = (b) wynika, że przynajmniej je-

den z punktów x

1

x

2

jest punktem wewnętrznym przedziału habi. Oznaczając

go przez ξ wnosimy z lematu Fermata, że f

0

(ξ) = 0.

T

WIERDZENIE

4.(Lagrange’a o przyrostach). Jeżeli f habi →jest funkcją

ciągła mającą pochodną w każdym punkcie przedziału (ab), to istnieje punkt
ξ ∈ 
(abtaki, że

(6)

(b− f (a)

b − a

f

0

(ξ).

D o w ó d. Niech

ϕ(x) = (x− f (b

(b− f (a)

b − a

(x − a).

Funkcja ϕ spełnia założenia twierdzenia Rolle’a, bo ϕ(a) = 0 = ϕ(b) i

ϕ

0

(x) = f

0

(x

(b− f (a)

b − a

dla x ∈ (ab).

Równość ϕ

0

(ξ) = 0 daje (6).

Twierdzenie Lagrange’a wypowiada się również w sformułowaniu nieco ogól-

niejszym:
Jeżeli jest przedziałem, f → jest funkcją ciągłą, mającą pochodną
w dowolnym punkcie zbioru 
Int \{a}gdzie a ∈Ito dla każdego x ∈istnieje
liczba θ taka, że

< θ < i f (x) = (a) + f

0

(θ(x − a))(x − a).

T

WIERDZENIE

5. Niech ⊂ bedzie przedziałem. Jeżeli funkcja ciągła f R

ma pochodną w każdym punkcie x ∈ Int f

0

(x0, to f jest funkcją rosnącą.

Analogicznie, jeżeli dla każdego x ∈ Int jest f

0

(x0, to f jest funkcja

malejąca.

background image

§ 26. Pochodna funkcji zmiennej rzeczywistej o wartościach rzeczywistych

155

D o w ó d. Załóżmy, że pochodna jest dodatnia. Niech x

1

< x

2

. Na mocy

twierdzenia Lagrange’a

(x

2

− f (x

1

) = f

0

(ξ)(x

2

− x

1

0,

tj. (x

2

> f (x

1

),

Tak samo rozumie się, gdy pochodna jest ujemna.
T

WIERDZENIE

6. ( Cauchy’ego o przyrostach). Niech f, ghabi → bę-

dą funkcjami ciągłymi. Jeżeli obie funkcje f ig są różniczkowalne na (abi
g

0

(x6= 0 dla każdego x ∈ (ab), to istnieje punkt ξ ∈ (abtaki, że

(7)

(b− f (a)

g(b− g(a)

=

f

0

(ξ)

g

0

(ξ)

.

D o w ó d. g(b6g(a) na mocy twierdzenia Rolle’a. Przyjmując

ϕ(x) = (x− f (a

(b− f (a)

g(b− g(a)

(g(x− g(a))

określamy na przedziale habi funkcje ϕ, która spełnia założenia twierdzenia
Rolle’a, bo ϕ(a) = 0 = ϕ(b) oraz

ϕ

0

(x) = f

0

(x

(b− f (a)

g(b− g(a)

g

0

(x).

Równość ϕ

0

(ξ) = 0 daje (7).

Dla funkcji g(x) = wzór (7) sprowadza się do wzoru (6) z twierdzenia

Lagrange’a.

Twierdzenie Cauchy’ego formułuje się również ogólniej, jak następuje: Jeżeli

⊂ jest przedziałem, funkcją ciągłą f, g→ sa różniczkowalne w zbiorze
Int \{a}gdzie a ∈ przy czym pochodna funkcji g nigdzie nie jest równa
zeru, to dla każdego x ∈ \{a} istnieje liczba θ taka, że

< θ < 1

i

(x− f (a)

g(x− g(a)

=

f

0

(θ(x − a)

g

0

(θ(x − a)

.

4. Reguły de L’Hospitala

T

WIERDZENIE

7. Niech D = (ab)\{x

0

}, gdzie x

0

jest punktem skupienia

przedziału (abi niech f, gD → będą funkcjami różniczkowalnymi. Jeżeli
g

0

(x6= 0 dla x ∈ D oraz

lim

x→x

0

(x) = lim

x→x

0

g(x) = 0+∞ lub − ∞

to z istnienia granicy

(8)

lim

x→x

0

f

0

(x)

g

0

(x)

c

background image

156

III. Wstępne wiadomości z rachunku różniczkowego i całkowego

wynika istnienie granicy

lim

x→x

0

(x)

g(x)

c.

D o w ó d. W pierwszym przypadku, gdy lim

x→x

0

(x) = 0 = lim

x→x

0

g(x), dowód

nie przedstawia trudności. Przyjmujemy (x

0

) = g(x

0

) = 0rozszerzając w ten

sposób funkcje na przedział ∪{x

0

}. Dla dowolnego ciągu (x

n

) punktów

zbioru mamy na mocy twierdzenia Cauchy’ego.

(9)

(x

n

)

g(x

n

)

=

f

0

(ξ

n

)

g

0

(ξ

n

)

,

gdzie ξ

n

x

0

θ

n

(x

n

− x

0

)< θ

n

1 i w konsekwencji 

n

− x

0

| < |x

n

− x

0

|

dla = 12, . . . Stąd wynika, że jeżeli x

n

→ x

0

, to ξ

n

→ x

0

i wobec założenia

(8) prawa strona równości (9) - a zatem i lewa strona - jest ciągiem zbieżnym
do granicy c. Dowodzi to tezy twierdzenia.

Przejdźmy do drugiego przypadku. Niech lim

x→x

0

g(x) = +∞ i

(10)

lim

x→x

0

f

0

(x)

g

0

(x)

= 0.

Udowodnimy, że jeżeli x

0

> a, to

(11)

lim

x→x


0

(x)

g(x)

= 0.

Dla drugiej liczby ε > 0 z naszych założeń wynika istnienie takiej liczby

¯

x ∈ (a, x

0

), że

(12)

g(xi |

f

0

(x)

g

0

(x)

| <

1

2

ε dla ¯

x < x < x

0

Niech teraz a < x

n

< x

0

(= 12, . . .) i x

n

→ x

0

. Istnieje N

1

takie, że

x

n

¯

dla n > N

1

. Mamy

(13)

(x

n

)

g(x

n

)

=

x)

g(x

n

)

+

(x

n

− f 

x)

g(x

n

− g

x)

(1 

g

x)

g(x

n

)

).

Na mocy twierdzenia Cauchy’ego

(x

n

− f 

x)

g(x

n

− g

x)

=

f

0

(ξ

n

)

g

0

(ξ

n

)

,

gdzie (dla n > N

1

) ¯

x < ξ

n

< x

0

, wiec z (12) wnosimy, że

background image

§ 26. Pochodna funkcji zmiennej rzeczywistej o wartościach rzeczywistych

157

|

(x

n

− f 

x)

g(x

n

− g

x)

| <

1

2

ε.

W takim razie z (13) dostajemy

|

(x

n

)

g(x

n

)

| ¬ |

x)

g(x

n

)

+

1

2

ε|

g

x)

g(x

n

)

|

dla n > N

1

. Ponieważ prawa strona jest ciągiem zbieżnym do

1
2

ε, więc ostatecz-

nie stwierdzamy, że istnieje takie, że dla n > N jest |f (x

n

)/g(x

n

)| < ε. W

ten sposób dowiedliśmy (11).

Podobnie dowodzi się, że jeżeli x

0

< b, to lim

x→x

+
0

((x)/g(x)) = 0.

A więc w przypadku gdy lim

x→x

0

g(x) = +∞ (założenie, że lim

x→x

0

(x) = +,

nie było do tej pory wykorzystywane), teza twierdzenia jest prawdziwa dla = 0.
Stąd wynika jej prawdziwość dla dowolnego c ∈ R, bo

(x)

g(x)

+

f

1

(x)

g(x)

, gdzie f

1

(x) = (x− cg(x)

oraz

lim

x→x

0

f

0

1

(x)

g

0

(x)

= lim

x→x

0

(

f

0

(x)

g

0

(x)

− c) = 0.

Jeżeli = +, to f

0

(x6= 0 dla dostatecznie bliskich x

0

oraz lim

x→x

0

(g

0

(x)/f

0

(x)) =

0wiec założenie lim

x→x

0

(x) = +∞ implikuje lim

x→x

0

(g(x)/f (x)) = 0Jeżeli przy

tym lim

x→x

0

g(x) = +, to obie funkcje są dodatnie blisko punktu x

0

i wo-

bec tego lim

x→x

0

((x)/g(x)) = +. Przypuszczenie, że −∞, jest sprzeczne z

pozostałymi założeniami.

Zastępując w udowodnionej już części twierdzenia odpowiednio przez

−f −g stwierdzamy, że jest ono prawdziwe także w ostatnim przypadku, gdy
wspólną wartością obu granic funkcji w punkcie x

0

jest −∞.

T

WIERDZENIE

8. Niech f, g: (: +→ będą funkcjami różniczkowal-

nymi.Jeżeli g

0

(x6= 0 dla każdego x > a oraz

lim

x→+

(x) =

lim

x→+

g(x) =

0+∞ lub − ∞
to z istnienia granicy

lim

x→+

f

0

(x)

g

0

(x)

c

wynika istnienie granicy

lim

x→+

(x)

g(x)

c.

D o w ó d. Można założyć, że a > 0. Niech f

1

(t) = (1/t), g

1

(t) = g(1/t) dla

t ∈ (01/a)Wtedy

background image

158

III. Wstępne wiadomości z rachunku różniczkowego i całkowego

f

0

1

(t) = 

1

t

2

f

0

(

1

t

i g

0

1

(t) = 

1

t

2

g

0

(

1

t

).

Wobec tego na mocy poprzedniego twierdzenia

lim

x→+

(x)

g(x)

= lim

t→0

f

1

(t)

g

1

(t)

= lim

t→0

f

0

1

(t)

g

0

1

(t)

=

lim

x→+

f

0

(x)

g

0

(x)

c.

Twierdzenie 7 i 8 znane sa pod nazwą reguł de L’Hospitala.

ćwiczenia
1. 
Niech a

n

∈ (= 12, . . .), a

n

6a

m

dla n 6m. Przyjmijmy %

(x) =

X

n=1

|x − a

n

|

2

n

(|a

n

+ 1)

.

Wykazać, że f

0

(x) istnieje wtedy i tylko wtedy, gdy x 6a

n

dla = 12, . . .

Wskazówka. Zastosować twierdzenie 20 z §23.
2.Dowieść, że funkcja różniczkowalna habi →jest rosnąca wtedy i tylko wtedy,

gdy f

0

(x­ 0 dla wszystkich x ∈ habi i zbiór {x f

0

(x0jest gesty w habi.