background image

Tomasz Kowalski 

Wykłady z matematyki dla studentów kierunków ekonomicznych  

 

Wykład 9  

 

 GRANICA  I  CIĄGŁOŚĆ FUNKCJI. GRANICE NIEWŁAŚCIWE W PUNKCIE 

 
 
1. Granica i ciągłość funkcji w punkcie 
 
 

Niech   f   będzie funkcją określoną w pewnym sąsiedztwie 

S

 punktu 

x

. Jeżeli dla każdego ciągu 

 

o wyrazach należących do   i  zbieżnego do   , ciąg wartości funkcji  

 jest zbieżny do 

0

(

f

)

(

n

x

x

0

))

n

x

g

, to liczbę 

g

 nazywamy granicą  funkcji 

f

 w  punkcie 

 . Zapisujemy wtedy 

x

0

g

x

x

f

x

lim

)

(

0

.  

  

Jeżeli w powyższej definicji sąsiedztwo  S  punktu 

x

  zastąpimy sąsiedztwem lewostronnym 

(lub 

prawostronnym 

) , to otrzymamy definicję granicy lewostronnej (lub prawostronnejfunkcji 

0

S

S

f

 

w punkcie 

x

.

 Stosujemy przy tym zapis:

 (lub zapis:

).  

0

)

(

lim

0

x

f

x

x

lim ( )

x

x

f x

0

Granicę lewostronną  i prawostronną nazywamy granicami jednostronnymi. Ilustrację granic 

jednostronnych przedstawiono na rys.1. 
 

Y

X

0

x

)

(

1

x

f

 g

2

x

1

x

n

x

)

(

2

x

f

)

(

n

x

f

)

(x

f

y

g

x

f

x

x

)

(

lim

0

      

Y

X

0

x

)

(

1

x

f

 g

2

x

1

x

n

x

)

(

2

x

f

)

(

n

x

f

)

(x

f

y

g

x

f

x

x

)

(

lim

0

 

Rys. 1. 

 
 Twierdzenie. 

Funkcja  f  posiada w punkcie 

  granicę wtedy i tylko wtedy gdy istnieją obie granice 

jednostronne i są sobie równe. 

0

x

)

)

(

lim

 )

(

lim

(

)

(

lim

0

0

0

g

x

f

x

f

g

x

f

x

x

x

x

x

x

   
 Twierdzenie. 

Jeżeli 

p

x

g

g

x

f

x

x

x

x

)

(

lim

   

i

   

)

(

lim

0

0

,  to  

.

0

   

i

   

0

)

(

   

ile

 

o

   

lim

 .

3

,

)

(

)

(

lim

 .

2

,

)

(

)

(

lim

 .

1

0

0

0

p

x

g

p

g

=

g(x)

f(x)

p

g

x

g

x

f

p

g

x

g

x

f

x

x

x

x

x

x

 

 
 Uwaga. 

Analogiczne twierdzenia można sformułować dla granic jednostronnych. 

 Przykład 1. 

Obliczyć:  a) 

,   b) 

 

  c) 

x

x

6

lim

3

)

1

4

(

lim

2

2

x

x

x

1

5

lim

2

x

x

x

Rozwiązanie. Korzystając z definicji i powyższego twierdzenia mamy 
a) 

,   b) 

,      

18

3

6

6

lim

3

x

x

13

1

2

4

2

2

)

1

4

(

lim

)

1

4

(

lim

2

2

2

x

x

x

x

x

x

x

c) 

1

1

2

5

2

1

5

lim

2

x

x

x

 

background image

Wykład 9. Granica i ciągłość funkcji. Granice niewłaściwe w punkcie 

Uwaga

. Funkcja   f  określona w pewnym otoczeniu  U  

punktu    jest ciągła w tym punkcie, jeżeli dla każdego 
ciągu 

 o wyrazach należących do 

i  zbie nego do   , ciąg wartości funkcji  

 jest 

zbież

.  

Ilustrację warunku przedstawiono na rys. 2.

 

)

 Obliczenie 

każdej z powyższych granic sprowadziło się, formalnie, do podstawienia we wzorze funkcji 

wartości 

  w miejsce x.  Okazało się więc, że granica 

 jest liczbą równą 

0

x

)

(

lim

0

x

f

x

x

(

0

x

f

 
  Niech   f   będzie funkcją określoną w pewnym otoczeniu  U  punktu

 (tzn. zarówno w punkcie 

x

 

jak 

i pewnym jego sąsiedztwie). Jeżeli 

 x

0

0

)

(

)

(

lim

0

0

x

f

x

f

x

x

, to funkcję  nazywać będziemy ciągłą w punkcie   . 

x

0

Jeżeli natomiast zachodzi tylko jeden z warunków: 

)

(

)

(

lim

0

0

x

f

x

f

x

x

x

0

  lub  

, to funkcję  

nazywać będziemy odpowiednio: lewostronnie ciągłą w punkcie    lub prawostronnie ciągłą w punkcie 

.

   

)

(

)

(

lim

0

0

x

f

x

f

x

x

x

0

 
   
 

    

Y

X

0

x

n

x

)

(

0

x

f

)

(

n

x

f

)

(x

f

y

)

(

)

(

lim

0

0

x

f

x

f

x

x

    

x

0

)

n

x

 do 

}

{

\

0

x

U

S

 

))

(

(

n

x

f

(

ż

ny

x

0

)

0

x

(

f

                                                  Rys. 2.

 

 

Funkcję  f  nazywamy ciągłą na przedziale  

)

;

(

b

a

I

, jeżeli jest ona ciągła w każdym punkcie tego 

przedziału. Gdy 

b

a

I

;

, to funkcję nazywamy ciągłą w tym przedziale, jeżeli dodatkowo jest ona ciągła 

prawostronnie w punkcie a  i  lewostronnie w punkcie b
 
 Twierdzenie. 

Każda funkcja elementarna jest ciągła w swojej naturalnej dziedzinie. 

 

    

Uwaga.

 Z powyższego twierdzenia, stanowiącego jedno z fundamentalnych twierdzeń analizy 

matematycznej wynika, że dla funkcji elementarnej obliczanie granic: 

,  

,   w przypadku gdy 

, sprowadza się do obliczenia wartości  

)

(

lim

0

x

f

x

x

f

)

(

lim

0

x

f

x

x

)

0

x

f

D

x

0

(

)

(

lim

0

x

f

x

x

 Przykład 2. 

Obliczyć:  a) 

4

2

3

lim

2

x

x

x

,  b) 

,   c) 

x

x

e

3

lim

0

)

2

arctg

4

(

lim

2

1

x

x

x

,  

 

d) 

,     e) 

)

4

ln(

lim

0

x

e

x

x

)

cos

(sin

lim

4

x

x

x

Rozwiązanie. We wszystkich przypadkach mamy do czynienia z granicą funkcji elementarnej w punkcie 
należącym do dziedziny. Zatem 

a) 

3

2

4

2

2

6

4

2

3

lim

2

x

x

x

,  b) 

,  

c) 

3

3

3

lim

0

0

e

e

x

x

4

2

1

arctg

2

)

2

arctg

4

(

lim

2

1

x

x

x

,  

d) 

,   e) 

0

1

ln

)

4

ln(

lim

0

x

e

x

x

1

1

0

4

cos

4

sin

)

cos

(sin

lim

4

x

x

x

. 

 
 

Powyższą metodę daje się zastosować do obliczania granic niektórych funkcji określonych w pewnym 

sąsiedztwie punktu 

, lecz  nieokreślonych w samym punkcie. 

0

x

 

background image

Wykład 9. Granica i ciągłość funkcji. Granice niewłaściwe w punkcie 

3

  Twierdzenie. Jeżeli  

 w pewnym sąsiedztwie   punktu 

 oraz 

,  

)

(

)

(

x

g

x

f

0

x

g

x

g

x

x

)

(

lim

0

to 

.  

g

x

g

x

f

x

x

x

x

)

(

lim

)

(

lim

0

0

 Przykład 3. Obliczyć:  a) 

4

16

lim

2

4

x

x

x

,   b) 

x

x

x

x

sin

cos

2

cos

lim

4

,     c) 

2

2

lim

2

2

x

x

x

x

Rozwiązanie.  W Każdym z przypadków obliczenie wartości 

 prowadzi do symbolu nieoznaczonego 

)

(

0

x

f

]

[

0

0

. Aby obliczyć granice przekształcimy dane funkcje tak, aby uniknąć nieoznaczoności.  

a)  Dla 

 mamy 

x

 4

4

4

)

4

)(

4

(

4

16

)

(

2

x

x

x

x

x

x

x

f

, zatem  

8

)

4

(

lim

4

16

lim

4

2

4

x

x

x

x

x

b) Postępując podobnie (przekształcenia funkcji dokonujemy pod znakiem granicy) otrzymujemy 

x

x

x

x

x

x

x

x

x

sin

cos

sin

cos

lim

0

0

sin

cos

2

cos

lim

2

2

4

4

]

[

2

)

sin

(cos

lim

sin

cos

)

sin

)(cos

sin

(cos

lim

4

4

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

c) 

3

)

1

(

lim

2

)

1

)(

2

(

lim

0

0

2

2

lim

2

2

2

2

]

[

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

 

 
2. Własności funkcji ciągłych 
 

 Twierdzenie 

Darboux

 (o przyjmowaniu wartości pośredniej). Jeżeli funkcja 

f

  jest ciągła w przedziale 

domkniętym  

b

;

 przy czym 

, to dla każdej wartości  p  leżącej między   istnieje 

taki argument 

, że 

)

(

)

(

b

f

a

f

p

x

)

(

0

)

(

i

)

(

b

f

a

f

)

;

(

0

b

a

x

f

 
   

 Uwaga. 

 

Powyższe twierdzenie formułuje się często 

w następującej wersji: Jeżeli funkcja 

 

Y

X

 a

 

0

x

 b

f a

( )

f b

( )

 

f

  jest ciągła 

w przedziale 

b

;

, a ponadto 

 

0

)

(

(

)

 b

a

f

)

f

 (tzn.  f  

przyjmuje na końcach przedziału wartości różnych znaków), to 
istnieje taki argument 

0

;

b

a

x

, że 

0

. Interpretację 

geometryczną tej wersji twierdzenia przedstawia rys. 3. 

f

0

)

(

x

Z własności tej korzystamy szukając pierwiastka równania 

 tzw. metodą połowienia

0

)

(

x

f

 

 

 

 

 

 

Rys. 3.  

 

 
 
 Przykład 4.

  Wyznaczyć  z dokładnością do  0,1  pierwiastek równania  

0

1

2

3

 x

x

Rozwiązanie. Przyjmijmy  

. Funkcja ta jest ciągła w zbiorze  R  oraz 

,  

. Stąd wynika, że miejsce zerowe funkcji  f  (pierwiastek równania) znajduje się w przedziale 

. Środkiem tego przedziału jest 

1

2

)

(

3

x

x

x

f

0

1

)

0

(

f

0

2

)

1

(

f

)

1

;

0

(

2

1

x

, przy czym 

0

8

1

)

2

1

(

f

. Oznacza to, że pierwiastek znajduje 

się w przedziale 

)

2

1

;

0

(

.  Postępując podobnie ( patrz rys.4.) otrzymujemy 

0

64

31

)

4

1

(

f

, czyli 

pierwiastek 

 

background image

Wykład 9. Granica i ciągłość funkcji. Granice niewłaściwe w punkcie 

)

2

1

;

4

1

(

znajduje się w przedziale 

. Dalej  mamy 

kolejne przedziały, w których
znajduje się pierwiastek
równania

 

0

1
4

3

8

7

16

1
2

 

1

Znak  f (x)

 

+

+

 

1

16

                     

Rys. 4. 

0

512

101

)

8

3

(

f

. Przyjmując za przybliżoną 

wartość pierwiastka środek przedziału 

)

2

1

;

8

3

(

 tj. 

punkt 

16

7

0

x

, poszukiwania możemy zakończyć, 

gdyż błąd przybliżenia nie przekracza 

16

1

.

 

   

Y

X

 M

 m

1

x

a

2

x

 b

)

(x

f

y

 

 

f

Twierdzenie. 

Jeżeli funkcja    jest ciągła 

w przedziale domkniętym   ;,  to jest w nim 
ograniczona  oraz istnieją w tym przedziale punkty 

, dla których  

, gdzie  

, M  oznaczają  odpowiednio wartość najmniejszą 
i największą funkcji w przedziale. 

2

1

x

x

M

x

f

m

x

f

)

(

,

)

(

2

1

Rys. 5. 

 
 Ilustrację twierdzenia przedstawia rys.5.

 

 
 
3. Granice niewłaściwe w punkcie 

 

 

 Niech 

 

f   będzie funkcją określoną w pewnym sąsiedztwie 

  punktu 

.  

S

0

 x

Jeżeli dla każdego ciągu   o wyrazach należących do  

   i  zbieżnego do    ciąg wartości funkcji  

 jest rozbieżny do 

)

(

n

x

S

x

0

))

(

(

n

x

f



  (jest rozbieżny do 

 

), to o funkcji mówimy, że  posiada w punkcie    

x

0

 lewostronną  granicę niewłaściwą 

(lewostronną granicę niewłaściwą 



 

). Zapisujemy wtedy 

  (



)

(

lim

0

x

f

x

x



)

(

lim

0

x

f

x

x

)

 
 Uwaga. 

Zastępując w powyższej definicji sąsiedztwo  

  punktu 

 sąsiedztwem  

 otrzymamy 

definicję prawostronnej granicy niewłaściwej oraz  prawostronnej asymptoty pionowej.  

S

0

 x

S

 
 Ilustrację jednostronnych granic niewłaściwych przedstawia rys. 6. 

Y 

X 

0

x

 

n

x

)

(

n

x

f

)

(x

f

y

 



)

(

lim

0

x

f

x

x

  

Y 

X 

0

x

n

x

)

(

n

x

f

)

(x

f

y



)

(

lim

0

x

f

x

x

 

 

Rys. 6 

   
 

background image

Wykład 9. Granica i ciągłość funkcji. Granice niewłaściwe w punkcie 

5

Wykaz najczęściej spotykanych granic niewłaściwych zapisanych w postaci symbolicznej 

 

Granica Uogólnienie Zapis 

symboliczny 



x

x

1

lim

0

 Jeżeli   i  

, to 

0

)

(

lim

0

x

u

x

x

0

)

(

x

u



)

(

1

lim

0

x

u

x

x



]

[

0

1

 



x

x

1

lim

0

 Jeżeli   i  

0

)

(

lim

0

x

u

x

x

0

)

(

x

u

, to 



)

(

1

lim

0

x

u

x

x



]

[

0

1

 



x

x

ln

lim

0

 

Jeżeli    i  

,  to 

0

)

(

lim

0

x

u

x

x

0

)

(

x

u



)

(

ln

lim

0

x

u

x

x



]

0

[ln

 

 
  Uwaga. We wszystkich warunkach występujących w kolumnie: "Uogólnienie" przejście graniczne 

 może być zastąpione dowolnym innym (zarówno przejściami

 jak i tymi, które 

omówione zostaną w następnych paragrafach). 

0

x

x

0

0

,

x

x

x

x

Przykład 5.

 Obliczyć: a) 

4

2

4

  

lim

2

x

x

x

,   b) 

 

1

2

5

  

lim

2

1

x

x

x

,    c) 

1

2

5

  

lim

2

1

x

x

x

,   d) 

1

2

4

  

lim

0

x

x

e

x

Rozwiązanie

. a) 



]

[

0

8

4

2

4

  

lim

2

x

x

x

,   b)  



]

[

0

7

1

2

5

  

lim

2

1

x

x

x

,    

c) 



]

[

0

3

1

2

5

  

lim

2

1

x

x

x

,   d) 



]

[

0

2

1

2

4

  

lim

0

x

x

e

x