‹-- Назад

Замена переменного и преобразование базы при такой замене

Часто при вычислении какого-либо предела естественно для упрощения выражения, от которого берётся предел, сделать некоторую замену переменного. Пусть, например, требуется вычислить

$\displaystyle \lim_{x\to-\frac{\pi}{2}}\dfrac{\sin^2x+2\sin x+1}{\sin^2x-\sin x+2}.$

Тогда естественно с целью упрощения сделать замену $ s=\sin x$: при этом функция, от которой берётся предел, упростится и будет иметь вид $ f(s)=\dfrac{s^2+2s+1}{s^2-s+2}$. Однако при этом нужно знать, как изменится база предела: что мы должны написать вместо $ x\to-\frac{\pi}{2}$ под знаком предела от функции $ f(s)$?

Рассмотрим общую ситуацию. Пусть (например, для упрощения выражения) предлагается сделать некоторую замену $ t={\varphi}(x)$, при этом исходный предел вычислялся при базе $ \mathcal{B}$, состоящей из некоторых окончаний $ E$. Тогда база множеств, которым принадлежит параметр $ t$, будет состоять из образов окончаний $ E$ при отображении их функцией $ {\varphi}(x)$: надо посмотреть, куда перейдёт произвольное окончание старой базы при действии функции $ {\varphi}$. Получится набор множеств $ {\varphi}(\mathcal{B})=\{{\varphi}(E)\}=\mathcal{B}'$, где множества $ {\varphi}(E)$ состоят из всех таких точек $ t$, что $ t={\varphi}(x)$ при некотором $ x\in E$.

Рис.2.12.Преобразование базы $ x\to x_0$ под действием функции $ {\varphi}(x)$


        Теорема 2.2   Пусть $ \mathcal{B}$ -- некоторая база и $ {\varphi}(x)$ -- некоторая функция, определённая на каком-нибудь окончании базы $ \mathcal{B}$. Тогда множество $ \mathcal{B}'={\varphi}(\mathcal{B})$ -- это тоже база.

        Доказательство.     Во-первых, все множества $ E'={\varphi}(E)$ не пусты, так как не пусты множества $ E$: если $ x\in E$, то $ E'$ содержит, по крайней мере, точку $ {\varphi}(x)$. Осталось показать, во-вторых, что если $ E_1'={\varphi}(E_1)$ и $ E_2'={\varphi}(E_2)$ (где $ E_1,E_2\in\mathcal{B}$) -- два множества из $ \mathcal{B}'$, то найдётся такое множество $ E_3'={\varphi}(E_3)$ ( $ E_3\in\mathcal{B}$), что $ E_3'\sbs E_1'\cap E_2'$. Множество $ E_1'\cap E_2'={\varphi}(E_1)\cap{\varphi}(E_2)$, по определению, состоит из всех точек $ {\varphi}(x)$, где $ x\in E_1$ и $ x\in E_2$ одновременно, то есть $ x\in E_1\cap E_2$. Рассмотрим теперь некоторое окончание $ E_3\sbs E_1\cap E_2$ (такое окончание найдётся, по определению базы $ \mathcal{B}$) и соответствующее множество $ E_3'={\varphi}(E_3)$. Тогда все значения $ {\varphi}(x)$ при $ x\in E_3$ будут среди значений $ {\varphi}(x)$ при $ x\in E_2\cap E_3$, то есть $ {\varphi}(E_3)=E_3'\sbs{\varphi}(E_1)\cap{\varphi}(E_2)=E_1'\cap E_2'$, что и требовалось показать.     

Иногда получается, что если $ \mathcal{B}$ -- одна из знакомых нам рассмотренных выше баз, то и $ {\varphi}(\mathcal{B})=\mathcal{B}'$ -- это тоже база известного типа.

        Пример 2.5   Пусть производится замена $ t={\varphi}(x)=3x-2$, где $ x\to2$. Здравый смысл подсказывает нам, что если $ x$ приближается к 2 и $ t=3x-2$, то значения $ t$ будут приближаться к $ 3\cdot2-2=4$, то есть база $ x\to2$ при такой замене переходит в базу $ t\to4$. Это, конечно, верный результат; но не всё так просто, как покажут нам следующие два примера.

Рис.2.13.Преобразование базы $ x\to2$ при замене $ t=3x-2$


Пока что проверим формально результат, полученный нами с помощью интуитивных представлений о "стремлении". Пусть $ E_{{\delta}}=(2-{\delta};2+{\delta})\diagdown \{2\}$ -- это произвольное окончание базы $ x\to2$. Посмотрим, во что это множество перейдёт при действии функции $ {\varphi}(x)=3x-2$. Поскольку эта линейная функция возрастает (её угловой коэффициент 3 положителен), то точки $ t=3x-2$ будут лежать между теми, в которые переходят концы интервала, то есть между $ {t_1={\varphi}(2-{\delta})=3(2-{\delta})-2=4-3{\delta}}$ и $ {t_2={\varphi}(2+{\delta})=3(2+{\delta})-2=4+3{\delta}}$, и не будут совпадать с $ {t_0={\varphi}(2)=4}$. Тем самым получили, что $ {{\varphi}(E_{{\delta}})=(4-3{\delta};4+3{\delta})\diagdown \{4\}}$. При произвольном $ {{\delta}>0}$ получаем произвольную проколотую окрестность точки 4 с полушириной $ {{\delta}'=3{\delta}>0}$: $ {{\varphi}(E_{{\delta}})=E'_{{\delta}'}}$. Очевидно, что набор множеств $ E'_{{\delta}'}$ -- это база $ {t\to4}$, как мы и предполагали, исходя из интуитивных соображений.    

        Пример 2.6   Пусть производится замена $ t=x^2$ и $ x\to0$. Рассуждая, как в предыдущем примере, получаем, что, наверное, $ t$ тоже стремится к 0, то есть нужно рассматривать базу $ t\to0$. Это, однако, не вполне верно. Следующий чертёж показывает, что образами окончаний $ E_{{\delta}}=(-{\delta};{\delta})\diagdown \{0\}$ базы $ x\to0$ служат не проколотые окрестности точки $ t=0$ (являющиеся окончаниями базы $ t\to0$), а интервалы $ E'=(0,{\delta}')$, где $ {\delta}'={\delta}^2$, примыкающие на оси $ t$ (если её расположить горизонтально) справа к точке $ t=0$.

Рис.2.14.График $ t=x^2$ и преобразование базы $ x\to0$ в базу $ t\to0+$


Набор таких интервалов образует правостороннюю базу $ t\to0+$, а не двустороннюю базу $ t\to0$, как мы поторопились предположить. В некоторых примерах разница между этими базами может быть существенной при вычислении предела.

(Ниже мы рассмотрим предел $ \lim\limits_{x\to0}x^2e^{-\frac{1}{x^2}}$, в котором эта разница существенна.)    

        Пример 2.7   Пусть производится замена $ t={\varphi}(x)=x^2$ при базе $ x\to1$. Интуитивно ясно, что когда $ x$ приближается к 1, то и $ t=x^2$ тоже будет приближаться к 1, причём "ловушки" предыдущего примера здесь нет: так как при $ x\geqslant 0$ функция $ x^2$ возрастает, то при $ x<1$ и близких к 1 будет получаться $ t<1$, близкое к 1, а при $ x>1$ и близких к 1 будет получаться $ t>1$, близкое к 1. Поэтому должна бы, вроде, при такой замене получиться база $ t\to1$. Однако и это не вполне так. Глядя на следующий чертёж, можно заметить, что образ окончания $ (1-{\delta};1+{\delta})\diagdown \{1\}$ -- это множество

$\displaystyle ((1-{\delta})^2;(1+{\delta})^2)\diagdown \{1\}=(1-2{\delta}+{\delta}^2;1)\cup(1;1+2{\delta}+{\delta}^2).$

Эти два интервала, примыкающие к точке 1 слева и справа, имеют разную длину: левый имеет длину $ 2{\delta}-{\delta}^2$, а правый -- длину $ 2{\delta}+{\delta}^2$, то есть левый короче правого на $ 2{\delta}^2$.

Рис.2.15.График $ t=x^2$ и преобразование базы $ x\to1$


Однако по определению базы $ t\to1$ окончания этой базы состоят из пары примыкающих к точке 1 симметричных интервалов! Так что формально получилась не база $ t\to1$, а нечто на неё похожее, но не совсем то же самое.    

На самом деле получившаяся в этом примере после замены база $ \mathcal{B}'={\varphi}(\mathcal{B})$ эквивалентна базе $ t\to1$ в смысле следующего определения.

        Определение 2.8   Две базы $ \mathcal{B}$ и $ \mathcal{B}'$ назовём эквивалентными, если в любом окончании $ {E\in\mathcal{B}}$ содержится некоторое окончание $ {E'\in\mathcal{B}'}$, и наоборот, в любом окончании $ {E'\in\mathcal{B}'}$ содержится некоторое окончание $ {E''\in\mathcal{B}}$.    

Базы $ {\mathcal{B}=\{t\to1\}}$ и $ {\mathcal{B}'={\varphi}(x\to1)}$, рассмотренные в предыдущем примере, эквивалентны, так как любое несимметричное окончание базы $ \mathcal{B}'$, имеющее, как мы выяснили, вид $ {E'=(1-2{\delta}+{\delta}^2;1)\cup(1;1+2{\delta}+{\delta}^2)}$, содержится в симметричном окончании $ {E=(1-2{\delta}-{\delta}^2;1)\cup(1;1+2{\delta}+{\delta}^2)}$ и содержит симметричное окончание $ {E''=(1-2{\delta}+{\delta}^2;1)\cup(1;1+2{\delta}-{\delta}^2)}$ базы $ \mathcal{B}$.

Пределы, вычисленные по эквивалентным базам, совпадают, так что эквивалентные базы нет смысла отличать друг от друга. В этом мы убедимся, доказав следующую теорему.

        Теорема 2.3   Пусть $ \mathcal{B}$ и $ \mathcal{B}'$ -- две эквивалентные базы, и существует $ {\lim\limits_{\mathcal{B}}f(x)=L}$. Тогда предел $ {\lim\limits_{\mathcal{B}'}f(x)=L'}$ тоже существует, и $ L'=L$.

        Доказательство.     Пусть фиксировано число $ {\varepsilon}>0$. Так как по предположению теоремы $ \lim\limits_{\mathcal{B}}f(x)=L$, то для этого $ {\varepsilon}$ можно указать такое окончание $ E$ базы $ \mathcal{B}$, при любом $ x$ из которого будет $ \vert f(x)-L\vert<{\varepsilon}$. Поскольку база $ \mathcal{B}'$ эквивалентна базе $ \mathcal{B}$, найдётся окончание $ E'\in\mathcal{B}'$, такое что $ E'\sbs E$; следовательно, $ \vert f(x)-L\vert<{\varepsilon}$ при любом $ x\in E'$. Значит, $ \lim\limits_{\mathcal{B}'}f(x)=L$, что и требовалось доказать.     

Итак, вычисление пределов по эквивалентным базам даёт один и тот же результат, и в дальнейшем мы не будем различать эквивалентные базы, в том числе и при их обозначении. В частности, все базы, эквивалентные введённой выше базе $ x\to x_0$, мы будем тоже обозначать $ x\to x_0$, все базы, эквивалентные введённой выше базе $ n\to\infty$, -- обозначать $ n\to\infty$, и т. п.