(ε, δ) -определение предела - (ε, δ)-definition of limit

Всякий раз, когда точка Икс внутри δ единицы c, ж(Икс) находится в пределах ε единиц от L

В исчисление, то (εδ) -определение лимита ("эпсилондельта определение предела ») является формализацией понятия предел. Концепция обусловлена Огюстен-Луи Коши, который никогда не ставил (ε, δ) определение предела в его Cours d'Analyse, но иногда используется ε, δ аргументы в доказательствах. Впервые оно было дано как формальное определение Бернар Больцано в 1817 году, и окончательное современное утверждение в конечном итоге было сделано Карл Вейерштрасс.[1][2] Он придает строгость следующему неформальному понятию: зависимое выражение ж(Икс) приближается к стоимости L как переменная Икс приближается к стоимости c если ж(Икс) можно сделать как можно ближе к L принимая Икс достаточно близко к c.

История

Хотя греки исследовали ограничивающий процесс, например, Вавилонский метод, вероятно, у них не было концепции, аналогичной современному пределу.[3] Потребность в концепции предела возникла в 1600-х годах, когда Пьер де Ферма пытался найти склон из касательная линия в точке графику функции, такой как . Используя ненулевое, но почти нулевое количество , Ферма произвел следующий расчет:

Ключ к приведенному выше расчету заключается в том, что, поскольку не равно нулю, можно разделить от , но с тех пор близко к 0, по существу .[4] Такие количества, как называются бесконечно малые. Проблема с этим вычислением заключается в том, что математики того времени не могли строго определить величину со свойствами ,[5] хотя было обычной практикой «пренебрегать» бесконечно малыми величинами более высокой мощности, и это, казалось, давало правильные результаты.

Эта проблема снова возникла позже, в 1600-х годах в центре развития исчисление, где расчеты, подобные расчетам Ферма, важны для расчета производные. Исаак Ньютон впервые разработал исчисление с помощью бесконечно малой величины, называемой текучесть. Он развил их в связи с идеей «бесконечно малого момента времени ...»[6] Однако позже Ньютон отверг флюксии в пользу теории соотношений, близкой к современной. определение лимита.[6] Более того, Ньютон знал, что предел отношения исчезающих величин был не само соотношение, как он писал:

Эти конечные соотношения ... на самом деле не являются отношениями конечных количеств, но предельными значениями ... к которым они могут приближаться так близко, что их разница меньше любой заданной величины ...

Кроме того, Ньютон иногда объяснял пределы в терминах, подобных определению эпсилон-дельта.[7] Готфрид Вильгельм Лейбниц разработал собственное бесконечно малое и попытался обеспечить ему прочную основу, но некоторые математики и философы все же с тревогой встретили его.[8]

Огюстен-Луи Коши дал определение предела в терминах более примитивного понятия, которое он назвал переменное количество. Он никогда не давал определения предела эпсилон-дельта (Grabiner 1981). Некоторые доказательства Коши содержат указания на эпсилон-дельта-метод. Можно ли считать его основополагающий подход предвестником подхода Вейерштрасса - предмет научных споров. Грабинер считает, что это так, а Шубринг (2005) с этим не согласен.[сомнительный ][1] Накане заключает, что Коши и Вейерштрасс дали одно и то же название разным понятиям предела.[9][ненадежный источник? ]

В конце концов, Вейерштрассу и Больцано приписывают обеспечение строгой основы для исчисления в форме современного определение лимита.[1][10] Необходимость ссылки на бесконечно малое затем был удален,[11] и вычисление Ферма превратилось в вычисление следующего предела:

Это не означает, что предельное определение было свободным от проблем, поскольку, хотя оно устраняло необходимость в бесконечно малых, оно требовало построения действительные числа от Ричард Дедекинд.[12] Это также не означает, что бесконечно малым нет места в современной математике, поскольку более поздние математики смогли строго создавать бесконечно малые величины как часть гиперреальное число или сюрреалистический номер системы. Более того, с этими величинами можно строго разрабатывать исчисления, и они имеют другие математические применения.[13]

Неофициальное заявление

Жизнеспособное неформальное (то есть интуитивное или предварительное) определение таково: "функция ж приближается к пределу L около а (символически, ) если мы можем сделать ж(Икс) так близко, как нам нравится L требуя, чтобы Икс быть достаточно близким, но не равным а."[14]

Когда мы говорим, что две вещи близки (например, ж(Икс) и L или Икс и а), мы имеем в виду, что разница (или расстояние ) между ними мало. Когда ж(Икс), L, Икс, и а находятся действительные числа, разница / расстояние между двумя числами - это абсолютная величина из разница из двух. Таким образом, когда мы говорим ж(Икс) близко к L, мы имеем в виду, что |ж(Икс) − L| маленький. Когда мы говорим это Икс и а близки, мы имеем в виду, что |Икса| маленький.[15]

Когда мы говорим, что можем сделать ж(Икс) так близко, как нам нравится L, мы имеем в виду, что для все ненулевые расстояния, ε, мы можем сделать расстояние между ж(Икс) и L меньше чем ε.[15]

Когда мы говорим, что можем сделать ж(Икс) так близко, как нам нравится L требуя, чтобы Икс быть достаточно близким, но не равным а, мы имеем в виду, что для любого ненулевого расстояния ε, есть ненулевое расстояние δ так что если расстояние между Икс и а меньше чем δ тогда расстояние между ж(Икс) и L меньше чем ε.[15]

Неформальный / интуитивный аспект, который следует усвоить, заключается в том, что определение требует следующего внутреннего разговора (который обычно перефразируется таким языком, как «ваш враг / противник атакует вас с помощью ε, и вы защищаете / защищаете себя δ"): Можно решить любую задачу ε > 0 для данного ж, а, и L. Надо ответить δ > 0 такой, что 0 < |Икса| < δ подразумевает, что |ж(Икс) − L| < ε. Если можно дать ответ на любой вызов, значит, предел существует.[16]

Точное заявление и связанные заявления

Точная инструкция для функций с действительным знаком

В определение предел функции составляет:[15]

Позволять быть функция с действительным знаком определено на подмножестве из действительные числа. Позволять быть предельная точка из и разреши быть реальным числом. Мы говорим что

если для каждого существует такое, что для всех , если , тогда .[17]

Символически:

Если или , то условие, что является предельной точкой, можно заменить более простым условием, что c принадлежит D, так как закрыто реальные интервалы и вся реальная линия идеальные наборы.

Точная инструкция для функций между метрическими пространствами

Определение может быть обобщено на функции, которые отображают между метрические пространства. Эти пространства имеют функцию, называемую метрикой, которая берет две точки в пространстве и возвращает действительное число, которое представляет расстояние между двумя точками.[18] Обобщенное определение выглядит следующим образом:[19]

Предполагать определяется на подмножестве метрического пространства с метрикой и отображается в метрическое пространство с метрикой . Позволять быть предельной точкой и разреши быть точкой .

Мы говорим что

если для каждого , существует такое, что для всех , если , тогда .

поскольку является метрикой действительных чисел, можно показать, что это определение обобщает первое определение для вещественных функций.[20]

Отрицание точного утверждения

В логическое отрицание из определение составляет:[21]

Предполагать определяется на подмножестве метрического пространства с метрикой и отображается в метрическое пространство с метрикой . Позволять быть предельной точкой и разреши быть точкой .

Мы говорим что

если существует такое, что для всех существует такой, что и .

Мы говорим что не существует, если для всех , .

Для отрицания действительной функции, определенной на действительных числах, просто установите .

Точная формулировка пределов на бесконечности

Точная формулировка пределов на бесконечности выглядит следующим образом:

Предполагать является вещественным, что определено на подмножестве действительных чисел, которые содержат сколь угодно большие значения. Мы говорим что

если для каждого , есть реальное число такое, что для всех , если тогда .[22]

Также возможно дать определение в общих метрических пространствах.[нужна цитата ]

Примеры работ

Пример 1

Мы покажем, что

.

Мы позволяем быть данным. Нам нужно найти такой, что подразумевает .

поскольку синус ограничена сверху 1 и снизу −1,

Таким образом, если взять , тогда подразумевает , что завершает доказательство.

Пример 2

Докажем утверждение, что

для любого реального числа .

Позволять быть данным. Мы найдем такой, что подразумевает .

Начнем с факторинга:

Мы признаем это это член, ограниченный поэтому мы можем предположить, что оценка равна 1, а затем выбрать что-то меньшее, чем это, для .[23]

Итак, мы полагаем . поскольку в целом справедливо для действительных чисел и , у нас есть

Таким образом,

Таким образом, через неравенство треугольника,

Таким образом, если мы далее предположим, что

тогда

Таким образом, мы установили

Так что если , тогда

Таким образом, мы нашли такой, что подразумевает . Таким образом, мы показали, что

для любого реального числа .

Пример 3

Докажем утверждение, что

Это легко показать с помощью графического понимания предела, и как таковое служит прочной основой для введения в доказательство. Согласно формальному определению, приведенному выше, предельное выражение является правильным тогда и только тогда, когда ограничение к единицы неизбежно ограничит к единицы . В данном конкретном случае это означает, что утверждение истинно тогда и только тогда, когда ограничение к единицы из 5 неизбежно ограничат

к единиц 12. Общий ключ к демонстрации этого значения - продемонстрировать, как и должны быть связаны друг с другом таким образом, чтобы иметь место импликация. Математически мы хотим показать, что

Упрощение, факторинг и деление 3 в правой части импликации дает

что сразу дает требуемый результат, если мы выберем

На этом доказательство завершено. Ключ к доказательству заключается в способности человека выбирать границы в , а затем заключить соответствующие границы в , которые в данном случае связаны с коэффициентом 3, что полностью связано с наклоном 3 в строке

Непрерывность

Функция ж как говорят непрерывный в c если они оба определены в c и его стоимость в c равняется пределу ж так как Икс подходы c:

В определение для непрерывной функции может быть получено из определения предела заменой с участием , чтобы гарантировать, что ж определяется в c и равняется пределу.

Функция ж называется непрерывным на интервале я если он непрерывен в каждой точке c из я.

Сравнение с бесконечно малым определением

Кейслер доказал, что гиперреальный определение лимита уменьшает логический квантификатор сложность двумя кванторами.[24] А именно, сходится к пределу L так как как правило а если и только если Значение бесконечно близок к L для каждого бесконечно малый е. (Видеть Микропрерывность для связанного определения непрерывности, в основном из-за Коши.)

Учебники по исчислению бесконечно малых на основе Робинсон Этот подход дает определения непрерывности, производной и интеграла в стандартных точках в терминах бесконечно малых. После того, как такие понятия, как непрерывность, были подробно объяснены с помощью подхода, использующего микропрерывность, также представлен эпсилон-дельта-подход. Карел Хрбачек утверждает, что определения непрерывности, производной и интеграции в нестандартном анализе в стиле Робинсона должны основываться на εδ метод, чтобы охватить также нестандартные значения ввода.[25] Błaszczyk et al. утверждает, что микропрерывность полезен для разработки прозрачного определения единообразной преемственности и характеризует критику Грбачека как «сомнительное причитание».[26] Грбачек предлагает альтернативный нестандартный анализ, который (в отличие от Робинсона) имеет множество «уровней» бесконечно малых, так что пределы на одном уровне могут быть определены в терминах бесконечно малых на следующем уровне.[27]

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ а б c Грабинер, Джудит В. (март 1983 г.), «Кто дал вам эпсилон? Коши и истоки строгого исчисления» (PDF), Американский математический ежемесячник, 90 (3): 185–194, Дои:10.2307/2975545, JSTOR  2975545, в архиве (PDF) из оригинала от 04.05.2009, получено 2009-05-01
  2. ^ Коши, А.-Л. (1823), "Septième Leçon - Valeurs de quelques выражения qui se présentent sous les formes indéterminées Relation qui existe entre le rapport aux différences finies et la fonction dérivée ", Résumé des leçons données à l'école royale polytechnique sur le Calcul infinitésimal, Париж, архив из оригинал на 2009-05-04, получено 2009-05-01, п. 44.. Проверено 01.05.2009.
  3. ^ Стиллвелл, Джон (1989). Математика и ее история. Нью-Йорк: Springer-Verlag. стр.38–39. ISBN  978-1-4899-0007-4.
  4. ^ Стиллвелл, Джон (1989). Математика и ее история. Нью-Йорк: Springer-Verlag. стр.104. ISBN  978-1-4899-0007-4.
  5. ^ Стиллвелл, Джон (1989). Математика и ее история. Нью-Йорк: Springer-Verlag. стр.106. ISBN  978-1-4899-0007-4.
  6. ^ а б Бакли, Бенджамин Ли (2012). Споры о непрерывности: Дедекинд, Кантор, дю Буа-Реймон и Пирс о непрерывности и бесконечно малых. п. 31. ISBN  9780983700487.
  7. ^ Pourciau, B. (2001), "Ньютон и понятие предела", Historia Mathematica, 28 (1): 18–30, Дои:10.1006 / hmat.2000.2301
  8. ^ Бакли, Бенджамин Ли (2012). Споры о непрерывности: Дедекинд, Кантор, дю Буа-Реймон и Пирс о непрерывности и бесконечно малых. п. 32. ISBN  9780983700487.
  9. ^ Накане, Мичие. Имело ли дифференциальное исчисление Вейерштрасса избегающий пределов характер? Его определение предела в εδ стиль. БШМ Бык. 29 (2014), нет. 1, 51–59.
  10. ^ Коши, А.-Л. (1823), "Septième Leçon - Valeurs de quelques выражения qui se présentent sous les formes indéterminées Relation qui existe entre le rapport aux différences finies et la fonction dérivée ", Résumé des leçons données à l'école royale polytechnique sur le Calcul infinitésimal, Париж, архив из оригинал на 2009-05-04, получено 2009-05-01, п. 44..
  11. ^ Бакли, Бенджамин Ли (2012). Споры о непрерывности: Дедекинд, Кантор, дю Буа-Реймон и Пирс о непрерывности и бесконечно малых. п. 33. ISBN  9780983700487.
  12. ^ Бакли, Бенджамин Ли (2012). Споры о непрерывности: Дедекинд, Кантор, дю Буа-Реймон и Пирс о непрерывности и бесконечно малых. С. 32–35. ISBN  9780983700487.
  13. ^ Тао, Теренс (2008). Структура и случайность: страницы первого года математического блога. Провиденс, Р.И .: Американское математическое общество. С. 95–110. ISBN  978-0-8218-4695-7.
  14. ^ Спивак, Михаил (2008). Исчисление (4-е изд.). Хьюстон, Техас: Опубликовать или погибнуть. п.90. ISBN  978-0914098911.
  15. ^ а б c d Спивак, Михаил (2008). Исчисление (4-е изд.). Хьюстон, Техас: Опубликовать или погибнуть. п.96. ISBN  978-0914098911.
  16. ^ "Эпсилон-дельта-определение предела | Великолепная вики по математике и науке". brilliant.org. Получено 2020-08-18.
  17. ^ «1.2: Определение предела эпсилон-дельта». Математика LibreTexts. 2017-04-21. Получено 2020-08-18.
  18. ^ Рудин, Вальтер (1976). Принципы математического анализа. McGraw-Hill Наука / Инженерия / Математика. п.30. ISBN  978-0070542358.
  19. ^ Рудин, Вальтер (1976). Принципы математического анализа. McGraw-Hill Наука / Инженерия / Математика. п.83. ISBN  978-0070542358.
  20. ^ Рудин, Вальтер (1976). Принципы математического анализа. McGraw-Hill Наука / Инженерия / Математика. п.84. ISBN  978-0070542358.
  21. ^ Спивак, Михаил (2008). Исчисление (4-е изд.). Хьюстон, Техас: Опубликовать или погибнуть. п.97. ISBN  978-0914098911.
  22. ^ Стюарт, Джеймс (2016), «Раздел 3.4», Исчисление (8-е изд.), Cengage
  23. ^ Спивак, Михаил (2008). Исчисление (4-е изд.). Хьюстон, Техас: Опубликовать или погибнуть. п.95. ISBN  978-0914098911.
  24. ^ Кейслер, Х. Джером (2008), «Квантификаторы в пределах» (PDF), Анджей Мостовский и фундаментальные исследования, IOS, Амстердам, стр. 151–170.
  25. ^ Hrbacek, K. (2007), «Стратифицированный анализ?», В Van Den Berg, I .; Невес В. (ред.), Сила нестандартного анализа, Springer
  26. ^ Блащик, Петр; Кац, Михаил; Шерри, Дэвид (2012), «Десять заблуждений из истории анализа и их опровержение», Основы науки, 18: 43–74, arXiv:1202.4153, Bibcode:2012arXiv1202.4153B, Дои:10.1007 / s10699-012-9285-8, S2CID  119134151
  27. ^ Хрбачек, К. (2009). «Теория относительных множеств: внутренний взгляд». Журнал логики и анализа. 1.

дальнейшее чтение