Эквивалентные функции
Говорят, что функции f f f и g g g , определенные в некоторой проколотой окрестности точки x 0 x_0 x 0 (возможно, x 0 = ± ∞ x_0=\pm\infty x 0 = ± ∞ ) эквивалентны , если
lim x → x 0 f ( x ) g ( x ) = 1.
\lim\limits_{x\to x_0}\frac{f(x)}{g(x)}=1.
x → x 0 lim g ( x ) f ( x ) = 1 .
Если функции эквивалентны, то мы пишем
f ( x ) ∼ g ( x ) при x → x 0 . f(x)\sim g(x)\quad\text{при }\,\, x\to x_0. f ( x ) ∼ g ( x ) при x → x 0 .
Если существует конечный предел lim x → x 0 f ( x ) = A ≠ 0 \lim\limits_{x\to x_0 }f(x)=A\ne 0 x → x 0 lim f ( x ) = A = 0 , то, очевидно,
f ( x ) ∼ A при x → x 0 . f(x)\sim A\,\,\text{при}\,\,x\to x_0. f ( x ) ∼ A при x → x 0 .
Если lim x → x 0 f ( x ) = 0 \lim\limits_{x\to x_0 }f(x)= 0 x → x 0 lim f ( x ) = 0 , то говорят, что величина f ( x ) f(x) f ( x ) бесконечно малая при x → x 0 x\to x_0 x → x 0 .
Пример 1
Как следует из статьи замечательные пределы , имеют место следующие эквивалентности
sin x ∼ tg x ∼ arcsin x ∼ arctg x ∼ x , 1 − cos x ∼ x 2 2 \sin x\sim\operatorname{tg} x\sim\operatorname{arcsin} x\sim\operatorname{arctg} x \sim x,\,\, 1-\cos x\sim\frac{x^2}{2} sin x ∼ t g x ∼ a r c s i n x ∼ a r c t g x ∼ x , 1 − cos x ∼ 2 x 2
ln ( 1 + x ) ∼ x , ( 1 + x ) a ∼ 1 a x , e x ∼ 1 + x при x → 0.
\ln(1+x)\sim x,\,\,(1+x)^a\sim 1 ax,\,\,e^x\sim 1+x\quad\text{при }\,\, x\to 0.
ln ( 1 + x ) ∼ x , ( 1 + x ) a ∼ 1 a x , e x ∼ 1 + x при x → 0 .
При вычислении пределов функции можно заменять на эквивалентные.
Пример 2
Вычислить предел
lim x → 0 1 + sin x − 1 arcsin x .
\lim\limits_{x\to 0}\frac{\sqrt{1+\sin x}-1}{\arcsin{x}}.
x → 0 lim arcsin x 1 + sin x − 1 .
Заменяем функции на эквивалентные:
1 + sin x − 1 arcsin x ∼ 1 + x − 1 x ∼ 1 + 1 2 x − 1 x = 1 2
\frac{\sqrt{1+\sin x}-1}{\arcsin{x}}\sim\frac{\sqrt{1+ x}-1}{{x}}\sim\frac{1+\frac{1}{2}x-1}{x}=\frac{1}{2}
arcsin x 1 + sin x − 1 ∼ x 1 + x − 1 ∼ x 1 + 2 1 x − 1 = 2 1
Таким образом,
lim x → 0 1 + sin x − 1 arcsin x = 1 2 .
\lim\limits_{x\to 0}\frac{\sqrt{1+\sin x}-1}{\arcsin{x}}=\frac{1}{2}.
x → 0 lim arcsin x 1 + sin x − 1 = 2 1 .
Однако, как показывает следующий предел, замена выражений на эквивалентные при вычислении пределов может привести к неопределенности:
lim x → 0 x − sin x arcsin x − x = lim x → 0 x − x x − x = 0 0 .
\lim\limits_{x\to 0}\frac{x-\sin x}{\arcsin x-x}=\lim\limits_{x\to 0}\frac{x- x}{ x-x}=\frac{0}{0}.
x → 0 lim arcsin x − x x − sin x = x → 0 lim x − x x − x = 0 0 .
O-большое
Пусть функции f ( x ) f(x) f ( x ) и g ( x ) g(x) g ( x ) определены в некоторой проколотой окрестности точки x 0 x_0 x 0 (или определены для достаточно больших значений ∣ x ∣ |x| ∣ x ∣ , если x 0 = ± ∞ x_0=\pm\infty x 0 = ± ∞ ), причем функция g ( x ) g(x) g ( x ) строго положительна.
Говорят, что f ( x ) = O ( g ( x ) ) f(x)=O(g(x)) f ( x ) = O ( g ( x ) ) при x → x 0 x\to x_0 x → x 0 , если существует постоянная C > 0 C>0 C > 0 для которой
∣ f ( x ) ∣ < C g ( x ) .
|f(x)|<Cg(x).
∣ f ( x ) ∣ < C g ( x ) .
Заметим, что запись f ( x ) = O ( 1 ) f(x)=O(1) f ( x ) = O ( 1 ) , x → x 0 x\to x_0 x → x 0 означает, что f ( x ) f(x) f ( x ) ограничена в некоторой проколотой окрестности точки x 0 x_0 x 0 .
Пример 3
x = O ( e x ) x=O(e^x) x = O ( e x ) при x → + ∞ x\to+\infty x → + ∞ , так как x < e x x<e^x x < e x для всех x > 0 x>0 x > 0 ;
e x = O ( ∣ x ∣ ) e^x=O(|x|) e x = O ( ∣ x ∣ ) при x → − ∞ x\to -\infty x → − ∞ , так как e x < ∣ x ∣ e^x<|x| e x < ∣ x ∣ для всех x < − 1 x<-1 x < − 1 ;
1 x = O ( 1 x 2 ) \frac{1}{x}=O\left(\frac{1}{x^2}\right) x 1 = O ( x 2 1 ) при x → 0 x\to 0 x → 0 , так как 1 ∣ x ∣ < 1 x 2 \frac{1}{|x|} < \frac{1}{x^2} ∣ x ∣ 1 < x 2 1 для всех x ∈ ( − 1 ; 0 ) ∪ ( 0 ; 1 ) x\in (-1;0)\cup(0;1) x ∈ ( − 1 ; 0 ) ∪ ( 0 ; 1 ) ;
1 x 2 = O ( 1 ∣ x ∣ ) \frac{1}{x^2}=O\left(\frac{1}{|x|}\right) x 2 1 = O ( ∣ x ∣ 1 ) при x → ± ∞ x\to \pm\infty x → ± ∞ , так как 1 x 2 < 1 ∣ x ∣ \frac{1}{x^2}<\frac{1}{|x|} x 2 1 < ∣ x ∣ 1 для всех ∣ x ∣ > 1 |x|>1 ∣ x ∣ > 1 .
Из определения следует, что условие f ( x ) = O ( g ( x ) ) f(x)=O(g(x)) f ( x ) = O ( g ( x ) ) при x → x 0 x\to x_0 x → x 0 равносильно тому, что
∣ f ( x ) g ( x ) ∣ < C \left|\frac{f(x)}{g(x)}\right|<C ∣ ∣ ∣ g ( x ) f ( x ) ∣ ∣ ∣ < C
в некоторой проколотой окрестности точки x 0 x_0 x 0 .
Если f ( x ) = O ( g ( x ) ) f(x)=O(g(x)) f ( x ) = O ( g ( x ) ) и g ( x ) = O ( f ( x ) ) g(x)=O(f(x)) g ( x ) = O ( f ( x ) ) при x → x 0 x\to x_0 x → x 0 , то пишут
f ( x ) ≍ g ( x ) , x → x 0 . f(x)\asymp g(x),\quad x\to x_0. f ( x ) ≍ g ( x ) , x → x 0 .
Данное отношение равносильно существованию положительных констант c , C > 0 c,C>0 c , C > 0 , для которых в некоторой проколотой окрестности точки x 0 x_0 x 0 выполнено
c < f ( x ) g ( x ) < C .
c<\frac{f(x)}{g(x)}<C.
c < g ( x ) f ( x ) < C .
Например, x ≍ 3 x 2 − 1 , x → + ∞ x\asymp \sqrt{3x^2-1},\quad x\to +\infty x ≍ 3 x 2 − 1 , x → + ∞ .
Свойства O-большого
f 1 ( x ) = O ( g 1 ( x ) ) f_1(x)=O(g_1(x)) f 1 ( x ) = O ( g 1 ( x ) ) , f 2 ( x ) = O ( g 2 ( x ) ) f_2(x)=O(g_2(x)) f 2 ( x ) = O ( g 2 ( x ) ) ⇒ \Rightarrow ⇒ f 1 ( x ) f 2 ( x ) = O ( g 1 ( x ) g 2 ( x ) ) f_1(x)f_2(x)=O(g_1(x)g_2(x)) f 1 ( x ) f 2 ( x ) = O ( g 1 ( x ) g 2 ( x ) ) ,
в частности если функция h ( x ) h(x) h ( x ) положительна, то h ( x ) O ( g ( x ) ) = O ( h ( x ) g ( x ) ) h(x)O(g(x))=O(h(x)g(x)) h ( x ) O ( g ( x ) ) = O ( h ( x ) g ( x ) ) ;
f 1 ( x ) = O ( g 1 ( x ) ) f_1(x)=O(g_1(x)) f 1 ( x ) = O ( g 1 ( x ) ) , f 2 ( x ) = O ( g 2 ( x ) ) f_2(x)=O(g_2(x)) f 2 ( x ) = O ( g 2 ( x ) ) ⇒ \Rightarrow ⇒ f 1 ( x ) + f 2 ( x ) = O ( g 1 ( x ) + g 2 ( x ) ) f_1(x)+f_2(x)=O(g_1(x)+g_2(x)) f 1 ( x ) + f 2 ( x ) = O ( g 1 ( x ) + g 2 ( x ) ) ,
в частности f 1 ( x ) , f 2 ( x ) = O ( g ( x ) ) f_1(x), f_2(x)=O(g(x)) f 1 ( x ) , f 2 ( x ) = O ( g ( x ) ) ⇒ \Rightarrow ⇒ f 1 ( x ) + f 2 ( x ) = O ( g ( x ) ) f_1(x)+f_2(x)=O(g(x)) f 1 ( x ) + f 2 ( x ) = O ( g ( x ) ) ;
o-малое
Пусть функции f ( x ) f(x) f ( x ) и g ( x ) g(x) g ( x ) определены в некоторой проколотой окрестности точки x 0 x_0 x 0 (или определены для достаточно больших значений ∣ x ∣ |x| ∣ x ∣ , если x 0 = ± ∞ x_0=\pm\infty x 0 = ± ∞ ).
Говорят, что f ( x ) = o ( g ( x ) ) f(x)=o(g(x)) f ( x ) = o ( g ( x ) ) при x → x 0 x\to x_0 x → x 0 (f ( x ) f(x) f ( x ) является бесконечно малой от g ( x ) g(x) g ( x ) ), если
lim x → x 0 f ( x ) g ( x ) = 0.
\lim\limits_{x\to x_0}\frac{f(x)}{g(x)}=0.
x → x 0 lim g ( x ) f ( x ) = 0 .
Заметим, что запись f ( x ) = o ( 1 ) f(x)=o(1) f ( x ) = o ( 1 ) , x → x 0 x\to x_0 x → x 0 означает, что lim x → x 0 f ( x ) = 0 \lim\limits_{x\to x_0}f(x)=0 x → x 0 lim f ( x ) = 0 .
Пример 4
x a = o ( e x ) x^a=o(e^x) x a = o ( e x ) при x → + ∞ x\to+\infty x → + ∞ для любого a ∈ R a\in\mathbb{R} a ∈ R ;
e x − 1 = o ( 1 ) e^x-1=o(1) e x − 1 = o ( 1 ) при x → 0 x\to 0 x → 0 ;
sin x − x = o ( x ) \sin x-x=o(x) sin x − x = o ( x ) при x → 0 x\to 0 x → 0 ;
1 − cos x = o ( x ) 1-\cos x=o(x) 1 − cos x = o ( x ) при x → 0 x\to 0 x → 0 .
Свойства o-малого
Свойства o -малого аналогичны свойствам O -большого. Кроме того
o ( O ( g ( x ) ) ) = O ( o ( g ( x ) ) ) = o ( g ( x ) ) .
o\left(O(g(x))\right)=O\left(o(g(x))\right)=o(g(x)).
o ( O ( g ( x ) ) ) = O ( o ( g ( x ) ) ) = o ( g ( x ) ) .
Пример 5
Покажем, что
sin x − x = o ( x 2 ) . \sin x-x=o\left(x^2\right). sin x − x = o ( x 2 ) .
Действительно, используя неравенство x cos x < sin x < x x\cos x<\sin x<x x cos x < sin x < x , (см. Пример 2 статьи Предел функции в точке ), имеем
0 < x − sin x < x ( 1 − cos x ) = x o ( x ) = o ( x 2 ) . 0<x-\sin x<x(1-\cos x)=xo(x)=o\left(x^2\right). 0 < x − sin x < x ( 1 − cos x ) = x o ( x ) = o ( x 2 ) .
Откуда следует sin x − x = o ( x 2 ) \sin x-x=o\left(x^2\right) sin x − x = o ( x 2 ) .
На самом деле имеет место более сильное равенство
x − sin x = O ( x 3 ) . x-\sin x=O\left(x^3\right). x − sin x = O ( x 3 ) .
Следствия формулы Маклорена
Используя ряд Маклорена для элементарных функций, можно получить следующие формулы (ряд Маклорена с остаточным членом в форме Пеано)
sin x = x + x 3 6 + o ( x 4 ) \sin x=x+\frac{x^3}{6}+o(x^4) sin x = x + 6 x 3 + o ( x 4 )
arcsin x = x − x 3 6 + o ( x 4 ) \arcsin x=x-\frac{x^3}{6}+o(x^4) arcsin x = x − 6 x 3 + o ( x 4 )
tg x = x + x 3 3 + o ( x 4 ) \tg x=x+\frac{x^3}{3}+o(x^4) tg x = x + 3 x 3 + o ( x 4 )
arctg x = x − x 3 3 + o ( x 4 ) \operatorname{arctg} x=x-\frac{x^3}{3}+o(x^4) a r c t g x = x − 3 x 3 + o ( x 4 )
ln ( 1 + x ) = x − x 2 2 + o ( x 2 ) \ln(1+ x)=x-\frac{x^2}{2}+o(x^2) ln ( 1 + x ) = x − 2 x 2 + o ( x 2 )
( 1 + x ) a = 1 + a x + a ( a − 1 ) x 2 2 + o ( x 2 ) (1+x)^a=1+ax+\frac{a(a-1)x^2}{2}+o(x^2) ( 1 + x ) a = 1 + a x + 2 a ( a − 1 ) x 2 + o ( x 2 )
Пример 6
lim x → 0 x − sin x arcsin x − x = lim x → 0 x 3 6 + o ( x 3 ) x 3 6 + o ( x 3 ) = lim x → 0 1 + o ( 1 ) 1 + o ( 1 ) = 1. \lim\limits_{x\to 0}\frac{x-\sin x}{\arcsin x-x}=\lim\limits_{x\to 0}\frac{\frac{x^3}{6}+o\left(x^3\right)}{\frac{x^3}{6}+o\left(x^3\right)}=\lim\limits_{x\to 0}\frac{1+o(1)}{1+o(1)}=1. x → 0 lim arcsin x − x x − sin x = x → 0 lim 6 x 3 + o ( x 3 ) 6 x 3 + o ( x 3 ) = x → 0 lim 1 + o ( 1 ) 1 + o ( 1 ) = 1 .
Научная статья по математике на заказ от проверенных экспертов по низкой цене!
Тест по теме “Сравнение функций”
Комментарии