חדוא 1 - ארז שיינר

88-132 חשבון אינפיניטיסימלי 1

סרטוני ותקציר ההרצאות

פרק 1 - מספרים וחסמים

קבוצות מספרים

• הטבעיים [math]\displaystyle{ \mathbb{N}=\{1,2,3,...\} }[/math]
• השלמים [math]\displaystyle{ \mathbb{Z}=\{0,-1,1,-2,2,...\} }[/math]
• הרציונאליים [math]\displaystyle{ \mathbb{Q}=\left\{\frac{p}{n}|p\in\mathbb{Z},n\in\mathbb{N}\right\} }[/math]
• הממשיים [math]\displaystyle{ \mathbb{R} }[/math], כל השברים העשרוניים כולל האינסופיים

• העשרה: בנייה של שדה הממשיים באמצעות חתכי דדקינד

• לא קיים [math]\displaystyle{ x\in\mathbb{Q} }[/math] כך ש [math]\displaystyle{ x^2=2 }[/math].
• במילים פשוטות, [math]\displaystyle{ \sqrt{2} }[/math] אינו רציונאלי (בהמשך נוכיח שיש מספר ממשי כזה).

חסמים

• תהי [math]\displaystyle{ A\subseteq \mathbb{R} }[/math] אזי:
  • [math]\displaystyle{ M\in\mathbb{A} }[/math] נקרא המקסימום של A או האיבר הגדול ביותר של A אם לכל [math]\displaystyle{ a\in A }[/math] מתקיים כי [math]\displaystyle{ a\leq M }[/math]
  • [math]\displaystyle{ M\in\mathbb{R} }[/math] נקרא חסם מלעיל של A אם לכל [math]\displaystyle{ a\in A }[/math] מתקיים כי [math]\displaystyle{ a\leq M }[/math]
  • [math]\displaystyle{ m\in\mathbb{A} }[/math] נקרא המינימום של A או האיבר הקטן ביותר של A אם לכל [math]\displaystyle{ a\in A }[/math] מתקיים כי [math]\displaystyle{ a\geq M }[/math]
  • [math]\displaystyle{ m\in\mathbb{R} }[/math] נקרא חסם מלרע של A אם לכל [math]\displaystyle{ a\in A }[/math] מתקיים כי [math]\displaystyle{ a\geq M }[/math]

• כמו כן:
  • אם יש איבר קטן ביותר בקבוצת חסמי המלעיל של A הוא נקרא החסם העליון של A, או הסופרמום של A ומסומן [math]\displaystyle{ \sup(A) }[/math]
  • אם יש איבר גדול ביותר בקבוצת חסמי המלרע של A הוא נקרא החסם התחתון של A, או האינפימום של A ומסומן [math]\displaystyle{ \inf(A) }[/math]

• בשדה הממשיים לכל קבוצה לא ריקה וחסומה מלעיל יש חסם עליון, ולכל קבוצה לא ריקה וחסומה מלרע יש חסם תחתון.
• בשדה הרציונאליים זה לא נכון; לקבוצה [math]\displaystyle{ A=\{x\in\mathbb{Q}|x^2\lt 2\} }[/math] אין מספר רציונאלי קטן ביותר מבין חסמי המלעיל שלה.

• תהי [math]\displaystyle{ A\subseteq \mathbb{R} }[/math] ויהי [math]\displaystyle{ M\in\mathbb{R} }[/math] אזי:
  • M הוא החסם העליון של A אם ורק אם M הוא חסם מלעיל של A ולכל מספר [math]\displaystyle{ M-\varepsilon\lt M }[/math] קיים מספר [math]\displaystyle{ a\in A }[/math] כך ש [math]\displaystyle{ a\gt M-\varepsilon }[/math]
  • m הוא החסם התחתון של A אם ורק אם m הוא חסם מלרע של A ולכל מספר [math]\displaystyle{ m\lt m+\varepsilon }[/math] קיים מספר [math]\displaystyle{ a\in A }[/math] כך ש [math]\displaystyle{ a\lt m+\varepsilon }[/math]

• דוגמא: תהיינה [math]\displaystyle{ \emptyset\neq A,B\subseteq\mathbb{R} }[/math] חסומות מלעיל כך שA אינה מכילה חסמי מלעיל של B, אזי [math]\displaystyle{ \sup(A)\leq\sup(B) }[/math]

פרק 2 - סדרות

הגדרת הגבול

• הגדרת הגבול של סדרה:
• תהי סדרה ממשית [math]\displaystyle{ a_n }[/math] ויהי מספר ממשי [math]\displaystyle{ L\in\mathbb{R} }[/math].
• [math]\displaystyle{ L }[/math] הינו גבול הסדרה [math]\displaystyle{ a_n }[/math] (מסומן [math]\displaystyle{ \lim a_n=L }[/math] או [math]\displaystyle{ a_n\to L }[/math]) אם:
  • לכל סביבה של הגבול, קיים מקום בסדרה שאחריו כל איברי הסדרה נמצאים בסביבה הנתונה, כלומר:
  • לכל מרחק [math]\displaystyle{ \varepsilon\gt 0 }[/math] קיים מקום [math]\displaystyle{ N\in\mathbb{N} }[/math] כך שאחריו לכל [math]\displaystyle{ n\gt N }[/math] מתקיים כי [math]\displaystyle{ |a_n-L|\lt \varepsilon }[/math]

• נגדיר ש[math]\displaystyle{ a_n\to\infty }[/math] אם לכל [math]\displaystyle{ M\gt 0 }[/math] קיים [math]\displaystyle{ N\in\mathbb{N} }[/math] כך שלכל [math]\displaystyle{ n\gt N }[/math] מתקיים כי [math]\displaystyle{ a_n\gt M }[/math]
• נגדיר ש[math]\displaystyle{ a_n\to -\infty }[/math] אם [math]\displaystyle{ -a_n\to\infty }[/math]

• טענה: תהי [math]\displaystyle{ a_n\to \infty }[/math] אזי [math]\displaystyle{ \frac{1}{a_n}\to 0 }[/math]
• טענה: תהי [math]\displaystyle{ 0\neq a_n\to 0 }[/math] אזי [math]\displaystyle{ \frac{1}{|a_n|}\to\infty }[/math]

• הגבול הוא יחיד
• מספר סופי של איברים לא משפיע על הגבול
• סדרה מתכנסת במובן הצר חסומה

מבוא לחשבון גבולות (אריתמטיקה של גבולות)

• (אי שיוויון המשולש.)
• סכום.
• מכפלה.
• חלוקה.

כלים לחישוב גבולות

• סנדביץ' וחצי סדנביץ'
• [math]\displaystyle{ a_n\to 0 \iff |a_n|\to 0 }[/math]
• חסומה כפול אפיסה היא אפיסה.
• מבחן המנה (הוכחה בסיכום הבא על אי-שוויון הממוצעים).
  • תהי סדרה [math]\displaystyle{ a_n }[/math] המקיימת כי גבול המנה הוא [math]\displaystyle{ \left|\frac{a_{n+1}}{a_n}\right|\to L }[/math] אזי:
    • אם [math]\displaystyle{ 1\lt L\leq\infty }[/math] מתקיים כי [math]\displaystyle{ |a_n|\to\infty }[/math]
    • אם [math]\displaystyle{ 0\leq L\lt 1 }[/math] מתקיים כי [math]\displaystyle{ a_n\to 0 }[/math]
    • מתקיים כי [math]\displaystyle{ \sqrt[n]{|a_n|}\to L }[/math]

• דוגמא:
  • [math]\displaystyle{ \sqrt[n]{n}\to 1 }[/math]

• אינדוקציה.
• ברנולי - אקספוננט חיובי שואף לאפס, אחד או אינסוף.

חשבון גבולות (אריתמטיקה של גבולות)

• אריתמטיקה מורחבת (הכתיב הוא מקוצר ואינו מדוייק):
  • חסומה כפול אפיסה = אפיסה
  • חסומה חלקי אינסוף = אפיסה
  • [math]\displaystyle{ \infty+\infty=\infty }[/math]
  • [math]\displaystyle{ \infty\cdot\infty=\infty }[/math]
  • [math]\displaystyle{ \infty^\infty=\infty }[/math]
  • [math]\displaystyle{ \frac{1}{0}\neq\infty }[/math]
  • [math]\displaystyle{ \frac{1}{0^+}=\infty }[/math]
  • [math]\displaystyle{ 0^\infty = 0 }[/math]
  • אינסוף כפול סדרה השואפת למספר חיובי = אינסוף.
  • אינסוף כפול סדרההשואפת למספר שלילי = אינסוף.
  • יש גבול סופי + אין גבול סופי = אין גבול סופי.
  • אינסוף ועוד חסומה שווה אינסוף.
  • אם [math]\displaystyle{ a\gt 1 }[/math] אזי [math]\displaystyle{ a^\infty=\infty }[/math]
  • חזקת סדרות שואפת לחזקת הגבולות.

המקרים הבעייתיים

• המקרים הבעייתיים בהם צריך להפעיל מניפולציות אלגבריות או משפטים על מנת לחשב את הגבול:
  • [math]\displaystyle{ \frac{0}{0},\frac{\infty}{\infty},0\cdot\infty,\infty-\infty,0^0,\infty^0,1^\infty }[/math]

סדרות מונוטוניות והמספר e

• כל סדרה מונוטונית הינה חסומה מתכנסת לגבול סופי, או שאינה חסומה ושואפת לגבול אינסופי.
• המספר e (הוכחות בעזרת אי-שוויון הממוצעים).
• [math]\displaystyle{ 2\lt e\lt 4 }[/math].
• אם [math]\displaystyle{ a_n\to\infty }[/math] אזי [math]\displaystyle{ \left(1+\frac{1}{a_n}\right)^{a_n}\to e }[/math]
  • [math]\displaystyle{ [a_n]\leq a_n \leq [a_n]+1 }[/math], כאשר [math]\displaystyle{ [a_n] }[/math] הוא המספר השלם הגדול ביותר שקטן או שווה ל[math]\displaystyle{ a_n }[/math].
  • [math]\displaystyle{ \left(1+\frac{1}{[a_n]+1}\right)^{[a_n]}\leq\left(1+\frac{1}{a_n}\right)^{a_n}\leq \left(1+\frac{1}{[a_n]}\right)^{[a_n]+1} }[/math]
  • שני הצדדים שואפים לe ולכן לפי כלל הסנדוויץ הסדרה אכן שואפת לe.
• אם [math]\displaystyle{ a_n\to -\infty }[/math] אזי [math]\displaystyle{ \left(1+\frac{1}{a_n}\right)^{a_n}\to e }[/math]
  • ראשית [math]\displaystyle{ \left(1-\frac{1}{n}\right)^{n}\to \frac{1}{e} }[/math] (הוכחה בקישור לערך על המספר e).
  • כעת חזקה שלילית הופכת את השבר, וניתן לסיים את ההוכחה באופן דומה להוכחה במקרה הקודם.

• אם [math]\displaystyle{ a_n\to 1 }[/math] אזי [math]\displaystyle{ a_n^{b_n}\to e^{\lim b_n\cdot(a_n-1)} }[/math]
  • [math]\displaystyle{ a_n^{b_n}=\left[\left(1+(a_n-1)\right)^{\frac{1}{a_n-1}}\right]^{ b_n\cdot (a_n-1)} }[/math].
  • [math]\displaystyle{ \left(1+(a_n-1)\right)^{\frac{1}{a_n-1}}\to e }[/math] בין אם [math]\displaystyle{ a_n-1 }[/math] שלילי או חיובי, לפי הטענות לעיל.
  • שימו לב שאם [math]\displaystyle{ a_n=1 }[/math], אז ממילא מקבלים 1 בנוסחא הסופית, ואז לא צריך לחלק ב[math]\displaystyle{ a_n-1 }[/math] ששווה אפס.

• דוגמא:
  • [math]\displaystyle{ \lim\left(\frac{n+1}{n-2}\right)^n=e^{\lim n\cdot\left(\frac{n+1}{n-2}-1\right)}=e^{\lim\frac{3n}{n-2}}=e^3 }[/math]

פרק 4 - פונקציות ורציפות

מבוא לגבולות

• מבוא לגבולות (שיטות אלגבריות: כפל בצמוד, הוצאת חזקה משמעותית).
  • [math]\displaystyle{ \lim_{x\to 2}\frac{x^2-4}{x-2} }[/math]
  • [math]\displaystyle{ \lim_{x\to\infty}\frac{2x^2+5x+3}{3x^2-100} }[/math]
  • [math]\displaystyle{ \lim_{x\to \infty}\sqrt{x^2+1}-x }[/math]
  • [math]\displaystyle{ \lim_{x\to \infty}\sqrt{x^2+x+1}-x }[/math]
  • [math]\displaystyle{ \lim_{x\to\infty}x^2-x }[/math]

הגדרת הגבול לפי היינה

• מרבית כללי האריתמטיקה המורחבות נובעים "בחינם" עבור פונקציות

הפונקציות הטריגונומטריות

• הגדרת סינוס וקוסינוס ע"י מעגל היחידה.
  • [math]\displaystyle{ sin^2(x)+cos^2(x)=1 }[/math]
  • [math]\displaystyle{ sin(-x)=-sin(x),cos(-x)=cos(x) }[/math]
  • [math]\displaystyle{ sin(a+b)=sin(a)cos(b)+sin(b)cos(a),cos(a+b)=cos(a)cos(b)-sin(a)sin(b) }[/math]
  • [math]\displaystyle{ sin(2x)=2sin(x)cos(x),cos(2x)=cos^2(x)-sin^2(x) }[/math]

• 
  • עבור זוית [math]\displaystyle{ 0\lt x\lt \frac{\pi}{2} }[/math] שטח המשולש חסום בשטח הגזרה (משולש פיצה עם הקשה) שחסום בשטח המשולש:
  • [math]\displaystyle{ S_{\triangle AOB}\lt S_{\bigcirc AOB}\lt S_{\triangle AOD} }[/math]
  • [math]\displaystyle{ \frac{sin(x)}{2}\lt \frac{x}{2}\lt \frac{tan(x)}{2} }[/math]
    • כיוון ש[math]\displaystyle{ 0\lt sin(x)\lt x }[/math] בתחום [math]\displaystyle{ (0,\frac{\pi}{2}) }[/math], נובע לפי סנדוויץ' ש[math]\displaystyle{ \lim_{x\to 0^+}sin(x)=0 }[/math].
    • כיוון שמדובר בפונקציה אי זוגית, נובע שזה גם הגבול משני הצדדים.
    • כעת בתחום [math]\displaystyle{ (-\frac{\pi}{2},\frac{\pi}{2}) }[/math] הקוסינוס חיובית ולכן [math]\displaystyle{ cos(x)=\sqrt{1-sin^2(x)} }[/math] ונובע כי [math]\displaystyle{ \lim_{x\to 0}cos(x)=1 }[/math].
  • נחלק את אי השיוויון הטריגונומטרי בסינוס ונקבל:
  • [math]\displaystyle{ 1\lt \frac{x}{sin(x)}\lt \frac{1}{cos(x)} }[/math]
  • לפי כלל הסנדביץ [math]\displaystyle{ \lim_{x\to 0^+}\frac{sin(x)}{x}=1 }[/math]
  • כיוון שמדובר בפונקציה זוגית, נובע שהגבול משני הצדדים שווה 1.

• ראינו ש[math]\displaystyle{ \lim_{x\to 0}\frac{sin(x)}{x}=1 }[/math].
• שימו לב ש[math]\displaystyle{ \lim_{x\to\infty}\frac{sin(x)}{x}=0 }[/math], כיוון שמדובר בחסומה חלקי שואפת לאינסוף.

רציפות

• גבול של הרכבת פונקציות נכשל ללא רציפות.
  • [math]\displaystyle{ f(x)=\frac{x}{x}, g(x)=0 }[/math] מתקיים כי [math]\displaystyle{ \lim_{x\to 0}f(x)=1,\lim_{x\to 2}g(x)=0 }[/math] אבל [math]\displaystyle{ \lim_{x\to 2}f(g(x))\neq 1 }[/math].
• רציפות.
• טענה: אם f רציפה ב[math]\displaystyle{ x_0 }[/math] אזי לכל סדרה [math]\displaystyle{ x_n\to x_0 }[/math] (גם אם אינה שונה מ[math]\displaystyle{ x_0 }[/math]) מתקיים כי [math]\displaystyle{ f(x_n)\to f(x_0) }[/math].
• הרכבת רציפות: תהי f רציפה ב[math]\displaystyle{ x_0 }[/math] ותהי g רציפה ב[math]\displaystyle{ f(x_0) }[/math]. אזי [math]\displaystyle{ g\circ f }[/math] רציפה ב[math]\displaystyle{ x_0 }[/math].
  • הוכחה:
  • תהי סדרה [math]\displaystyle{ x_0\neq x_n\to x_0 }[/math] אזי [math]\displaystyle{ f(x_n)\to f(x_0) }[/math]
  • לפי הטענה הקודמת, [math]\displaystyle{ g(f(x_n))\to g(f(x_0)) }[/math].

• מיון אי רציפות.
  • רציפות - הגבול בנקודה שווה לערך בנקודה.
  • סליקה - הגבול קיים וסופי בנקודה, אך שונה מהערך בנקודה או שהפונקציה אינה מוגדרת בנקודה.
  • קפיצתית (מין ראשון) - הגבולות החד צדדיים קיימים סופיים ושונים בנקודה.
  • עיקרית (מין שני) - אחד הגבולות החד צדדיים אינו קיים או שאינו סופי.