Processing math: 100%
Tämä kurssi on jo päättynyt.

Raja-arvon määrittäminen laskusääntöjen avulla

Raja-arvon määritelmä vaatii, että funktio on määritelty tarkastelupisteen molemmilla puolilla. Tämä ei aina toteudu, tai joskus funktion arvot voivat lähestyä eri lukuja pisteen eri puolilla. Tästä huolimatta on usein mielekästä soveltaa raja-arvon käsitettä. Seuraavaksi määrittelemme epämuodollisesti raja-arvon käsitteitä.

Määritelmä 3.2.1

Reaaliluvun a sisältävää avointa väliä (c,d) kutsutaan pisteen a ympäristöksi (neighbourhood) ja joukkoa (c,a)(a,d) pisteen a punkteeratuksi ympäristöksi.

Määritelmä 3.2.2

Olkoon funktio f on määritelty joukossa (b,a). Funktion f vasemmanpuoleinen raja-arvo kohdassa a on L, jos funktion arvot f(x) lähestyvät lukua L muuttujan x lähestyessä lukua vasemmalta (x<a). Tällöin merkitään

limxaf(x)=Ltaif(x)L, kun xa.

Olkoon sitten funktio f määritelty joukossa (a,b). Vastaavasti funktion f oikeanpuoleinen raja-arvo kohdassa a on L, jos funktion arvot f(x) lähestyvät lukua L muuttujan x lähestyessä lukua oikealta (x>a). Tällöin kirjoitetaan

limxa+f(x)=Ltaif(x)L, kun xa+.

Vasemman- ja oikeanpuoleisista raja-arvoista käytetään yhteisnimitystä toispuoleiset raja-arvot.

Toispuoleisten raja-arvojen olemassaolo on edellytys varsinaisen raja-arvon olemassaololle.

Määritelmä 3.2.3

Funktion f raja-arvo kohdassa a on L jos ja vain jos sekä sen vasemman- että oikeanpuoleinen raja-arvo kohdassa a on L. Tällöin kirjoitetaan

L=limxaf(x)taif(x)L, kun xa.

Ehdolle saadaan siis yhtäpitävä ilmaus

limxaf(x)=Ljos ja vain joslimxaf(x)=limxa+f(x)=L.

Alle olevassa kuvassa havainnollistettu kun katkoviivalla merkityt funktion f arvot f(x) lähestyvät molemmat lukua L, kun muuttuja x lähestyy lukua a vasemmalta ja oikealta. Idea on siis hyvin intuitiivinen.

../_images/funktionraja-arvo-lukio.svg

Esimerkki 3.2.4

Havainnollistetaan erilaisten raja-arvojen käsitteitä, sekä toispuoleisten raja-arvojen samuuden välttämättömyyttä raja-arvon olemassaololle.

  1. Funktiolla

    f(x)={x21,kun x<1,2x,kun x>1,

    on toispuoleiset raja-arvot

    limx1f(x)=0jalimx1+f(x)=1,

    joten ei ole olemassa raja-arvoa limx1f(x).

    ../_images/funktiopalattoispuoleinenraja.svg
  2. Funktiolla

    f(x)={x2,kun x<0,xsin1x,kun x>0,

    on toispuoleiset raja-arvot

    limx0f(x)=0=limx0+f(x),

    joten on olemassa raja-arvo limx0f(x)=0.

  3. Funktiolla

    f(x)={1,kun x<0,sin1x,kun x>0,

    on vasemmanpuoleinen raja-arvo limx0f(x)=1, mutta ei oikeanpuoleista raja-arvoa limx0+f(x), eikä siten myöskään raja-arvoa limx0f(x).

Raja-arvoa limx1x21 ei ole olemassa, koska funktio x21 ei ole määritelty luvun 1
Onko olemassa jompikumpi toispuoleinen raja-arvo?
Jos toispuoleinen raja-arvo on olemassa, niin mikä se on?

Tarkastellaan seuraavaksi funktiota

f(x)={x+6,jos |x|22x22,jos 1|x|<25,jos |x|<1
Mikä on raja-arvo limx2f(x)?
Mikä on raja-arvo limx2f(x)?

Seuraavan lauseen raja-arvon peruslaskusääntöjen mukaan summan raja-arvo on raja-arvojen summa, tulon raja-arvo on raja-arvojen tulo ja osamäärän raja-arvo on raja-arvojen osamäärä. Näiden laskusääntöjen todistaminen sivuutetaan.

Lause 3.2.5

Jos limxaf(x)=L ja limxag(x)=M, sekä cR, niin

  1. limxac=c,
  2. limxax=a,
  3. limxa(cf(x))=cL,
  4. limxa(f(x)±g(x))=L±M,
  5. limxa(f(x)g(x))=LM,
  6. limxaf(x)g(x)=LM, jos M0,
  7. limxax=a,
  8. limxaf(g(x))=f(limxag(x))=f(M).

Seuraus 3.2.6

Jos limxaf(x) on olemassa, niin limxaf(x)n=(limxaf(x))n, kun nN.

Seuraavien perustulosten yhdistäminen edellä mainittuihin raja-arvojen laskusääntöihin tarjoaa yksinkertaisen keinon monien funktioiden raja-arvojen määrittämiseen.

Esimerkki 3.2.7

Tämän raja-arvon määrittämiseen tarvitaan kaikkia raja-arvojen laskusääntöjä sekä edellisen lauseen tuloksia.

limx32x375x+3=limx3(2x37)limx3(5x+3)=2(limx3x)3limx375limx3x+limx33=233753+3=4718

Esimerkki 3.2.8

  1. Raja-arvo

    limx3x2+2x3x2+5x+6

    on olemassa, mutta sen määrittämiseksi ei voi soveltaa suoraan osamäärän raja-arvon sääntöä, sillä nimittäjän raja-arvoksi tulee 0. Sekä osoittaja että nimittäjä voidaan jakaa tekijöihin nollakohtiensa avulla, jolloin tämä ongelma voidaan ohittaa supistamalla yhteisen tekijä.

    limx3x2+2x3x2+5x+6=limx3(x1)(x+3)(x+2)(x+3)=limx3(x1)(x+2)=4
  2. Raja-arvoa

    limx212x

    ei ole olemassa, sillä funktion 12x itseisarvo kasvaa rajatta, kun x2.

Esimerkki 3.2.9

  1. Raja-arvon laskusäännöistä seuraa, että

    limx52x21=limx5(2x21)=49=7.
  2. Tutkitaan raja-arvoa

    limx0x+42x.

    Suora sijoitus ei onnistu, sillä nimittäjän raja-arvoksi tulee 0, mutta funktiota voidaan muokata sopivasti laventamalla lausekkeella x+4+2.

    x+42x=(x+4)4x(x+4+2)=1x+4+214,

    kun x0.

Pohditaan vielä hieman äskeistä esimerkkiä, jossa laskettiin raja-arvoa

limx0x+42x.
Miksi esimerkissä tehdään lavennus? (Huom. Muissa kuin tämän kysymyksen oikean vastauksen tapauksessa samanlainen lavennus tuskin kannattaa.) Sen takia, että suora sijoitus tuottaa muodon
Lavennus tapahtuu nimenomaan lausekkeella x+4+2, koska ensisijaisesti halutaan päästä eroon osoittajan
Miten ensimmäisen yhtäsuuruusmerkin jälkeinen muoto on saatu, eli minkä kaavan käyttöön lavennus perustuu?
Minkä takia esimerkin laskentarivillä toisen yhtäsuuruusmerkin jälkeen (viimeinen muoto ennen rajankäyntiä) osoittajana on luku 1?

Viimeinen raja-arvojen määrittämiseen liittyvä päättelykeino on kuristusperiaate, jonka todistaminen sivuutetaan.

Lause 3.2.10 (Kuristusperiaate)

Olkoon f(x)g(x)h(x) aina, kun xa jossakin pisteen a ympäristössä ja oletetaan, että

limxaf(x)=L=limxah(x).

Tällöin limxag(x)=L.

Esimerkki 3.2.11

Havainnollistetaan kuristusperiaatteen ideaa. Funktiolla g(x)=xsin1x on raja-arvo 0 pisteessä 0, sillä

|x|xsin1x|x|

ja f(x)=|x|0 ja h(x)=|x|0, kun x0.

../_images/funktiokuristusraja-arvo.svg

Funktiot |x| ja |x| ikäänkuin “kuristavat” funktion xsin1x lähestymään arvoa 0.

Usein tehtävissä, joissa kuristusperiaatetta käytetään, annetaan funktion g(x) lauseke ja tehtävänä on keksiä sopivat kuvaajaa y=g(x) alhaalta ja ylhäältä rajoittavat funktiot sekä niiden perusteella määrätä funktion g(x) raja-arvo. Nyt käsitellään kuitenkin hiukan toisenlaista tehtävää.

Tarkastellaan funktioita

a(x)=2x2+x+24x+4

ja

b(x)=x2+3x+22x+8.

Välillä (0,5) on vain yksi piste x=c, jossa nämä funktioiden kuvaajat sivuavat toisiaan. Sivuaminen tarkoittaa, että yhteisen pisteen molemmilla puolilla kuvaajat ovat samassa korkeusjärjestyksessä, eivätkä siis leikkaa (mene ristiin). Koska funktioiden a(x) ja b(x) kuvaajien kaikissa yhteisissä pisteissä pätee sekä y=a(x) että y=b(x), voidaan tämän perusteella muodostaa yhtälö a(x)=b(x).

Ratkaise yhtälö a(x)=b(x). Aloita ristiinkerronnalla eli kerro yhtälön molempia puolia ensin funktion a(x) nimittäjällä ja sitten funktion b(x) nimittäjällä. Kun olet tehnyt ristiinkerronnan, miltä yhtälö näyttää?

Kun edelleen vähennetään puolittain termejä niin, että kaikki nollasta eroavat termit ovat yhdellä puolella yhtälöä, on yhtälö muotoa

2x28x+8=0.
Mikä on tämän ratkaisu eli kuvaajien yhteinen piste x=c?

Jos haluat, voit pohtia vähän sitä, miten toisen asteen yhtälön ratkaisun perusteella voidaan tietää ilman piirtämistä, että käyrät y=a(x) ja y=b(x) sivuavat eivätkä leikkaa pisteessä c.

Käsitellään nyt funktiota r(x), jonka lauseketta ei tunneta, mutta tiedetään kuitenkin, että funktion r(x)x2 kuvaaja jää funktioiden a(x) ja b(x) kuvaajien väliin pisteen c ympäristössä. Selvitetään funktion r(x) raja-arvo pisteessä c.

Tarkasta kumpi kuvaajista y=a(x) ja y=b(x) on toista ylempänä pisteen c ympäristössä. Tämän voi tehdä esim. sijoittamalla joitakin sopivasti valittuja lukuja.

Kumpi on oikein?

Tarkasta seuraavaksi, että funktioilla a(x) ja b(x) on sama raja-arvo pisteessä c. Tämän perusteella tiedät kuristusperiaatteen mukaan, mikä on raja-arvo limxcr(x)x2.

Raja-arvo limxcr(x)x2 on

Päättele edelleen raja-arvo limxcr(x).

Raja-arvo limxcr(x) on

Huomaa, että raja-arvon olemassaolo saataisiin pienellä lisäpohdinnalla (toispuoleisiin raja-arvoihin liittyen) todistettua siinäkin tapauksessa, että funktioiden a ja b kuvaajat leikkaisivat toisensa.

Tärkeitä raja-arvoja

Tarkastellaan seuraavaksi erään hyvin hyödyllisen raja-arvon määritystä toispuoleisten raja-arvojen avulla. Sitä ennen kuitenkin tarvitaan tietoa sini- ja kosinifunktioiden raja-arvoista pisteessä 0.

Lemma 3.2.12

limθ0sinθ=0 ja limθ0cosθ=1.

Todistus

Tarkastellaan ensin alla olevaa yksikköympyrän ensimmäistä neljännestä esittävää kuvaa.

../_images/funktiotrigepayhtalot.svg

Pisteet (cosθ,sinθ), (cosθ,0) ja (1,0) virittävät suorakulmaisen kolmion, jonka kateettien pituudet ovat sinθ ja 1cosθ. Ne molemmat ovat lyhyempiä kuin pisteet (cosθ,sinθ) ja (1,0) yhdistävä hypotenuusa, joka puolestaan on lyhyempi kuin samojen pisteiden välillä piirretty origokeskisen ympyrän kaari. Kulman määritelmän mukaisesti tämän kaaren pituus on θ, jolloin siis ensimmäisessä neljänneksessä sinθθ ja 1cosθθ eli cosθθ+1. Tämä argumentti yleistyy myös negatiivisille kulman arvoille siten, että

θsinθθ,

ja

1θcosθ1+θ.

Edelleen soveltamalla raja-arvon laskusääntöjä nähdään, että

limθ0θ=0jalimθ0θ=0,
limθ01+θ=0jalimθ01θ=1.

Joten kuristusperiaatteen nojalla saadaan, että

limθ0sinθ=0jalimθ0cosθ=1.

Lause 3.2.13

limθ0sinθθ=1

Todistus

Todistetaan lause geometrisesti.

../_images/funktiosincrajaarvo.svg

Oletetaan, että 0<θ<π2. Oheisesta kuvasta päätellään, että x-akselin ja pisteen (cosθ,sinθ) rajaaman kolmion pinta-ala on pienempi kuin niiden rajaaman ympyräsektorin pinta-ala. Viimeksi mainittu on lisäksi pienempi kuin x-akselin ja pisteen (1,tanθ) rajaaman kolmion pinta-ala.

1-säteisen kiekon pinta-ala on π12=π, joten kulmaan θ rajautuvan sektorin pinta-ala on πθ2π=θ2. Kolmioiden pinta-alat voidaan laskea tutusti kateettien avulla, joten

12cosθsinθθ2121tanθ=12sinθcosθ.

Edelleen kertomalla luvulla 2 ja jakamalla luvulla sinθ0 nähdään, että

cosθθsinθ1cosθ.

Ottamalla käänteisluvut järjestys kääntyy ja saadaan

1cosθsinθθcosθ.

Koska limθ0cosθ=1, niin kuristusperiaatteen nojalla

limθ0+sinθθ=1.

Olettamalla π2<θ<0 ja käsittelemällä vastaavan tilanteen neljännessä neljänneksessä tulokseksi saadaan

limθ0sinθθ=1,

joten väite on todistettu toispuoleisten raja-arvojen olemassaoloon vetoamalla.

Funktiolla f:R{0}R, f(x)=sinxx on keskeinen merkitys useissa signaalinkäsittelyyn liittyvissä sovelluksissa, ja sille annetaan usein erityisnimitys sinc(x). Matematiikassa tämän raja-arvon merkitys tulee esille trigonometristen funktioiden derivointikaavojen johtamisissa.

../_images/funktiosinckuvaaja.svg

Esimerkki 3.2.14

Osoitetaan, että

limx01cosxx=0.

Lavennetaan lausekkeella 1+cosx ja käytetään tietoa sin2x=1cos2x.

1cosxx=1cos2xx(1+cosx)=sinxxsinx1+cosx101+1=0,

kun x0.

Esimerkki 3.2.15

Selvitä itsellesi raja-arvon

limx0tan(2x)x=2(limx0sin(2x)2x)(limx01cos(2x))=2111=2

määrityksen välivaiheet.

Yllä olevassa esimerkissä pyydettiin selvittämään raja-arvon määrityksen

limx0tan(2x)x=2(limx0sin(2x)2x)(limx01cos(2x))

välivaiheet. Katsotaan, selvisivätkö ne.

Seuraavassa listassa on nimetty kahdeksan laskentaan liittyvää sääntöä, tapaa tai määritelmää. Jos nimet eivät heti tuo sääntöä mieleen, löytyvät säännöt tästä luvusta tai trigonometrisiä funktioita käsittelevästä luvusta. Nimet ovat tosin vain tätä tehtävää varten kehitettyjä. Kolme näistä säännöistä on sellaisia, joita käytetään yllä esitetyssä laskussa.

Valitse ne kolme sääntöä, joita tässä käytetään.

Esimerkin toisen yhtäsuuruusmerkin kohdalla ilmoitetaan, että

2(limx0sin(2x)2x)(limx01cos(2x))=2111

Voidaan ajatella, että ensimmäiseen sulkulausekkeeseen tehdään muuttujanvaihto, jotta lauseen 3.2.13 perusteella siihen liittyväksi raja-arvoksi voidaan päätellä 1.

Mikä muuttujanvaihto ensimmäiseen sulkulausekkeeseen on tehty?

Huomaa, että muuttujanvaihdon mukaisesti silloin kun x0, niin myös θ0, joten lausetta 3.2.13 voidaan käyttää.

Minkä takia limx01cos(2x)=11? Lausekkeeseen on tehty
Palautusta lähetetään...