Príklady na precvičovanie – limita a spojitosť funkcií viac premenných Nasledujúce riešené príklady ilustrujú základné techniky výpočtu limít funkcií viac premenných. Obzvlášť využívame • dosadenie, • vhodnú úpravu (na odstránenie neurčitého výrazu), • substitúciu (väčšinou vedie na výpočet limity funkcie jednej premen- nej), • polárne (sférické) súradnice v prípade vlastného, resp. nevlastného limitného bodu. Riešené príklady Príklad 1 (dosadenie) lim (x,y,z)→(1,3,1) (2x2 + 7y − 3z + 5). Riešenie: Za x, y, z jednoducho dosadíme súradnice príslušného limitného bodu lim (x,y,z)→(1,3,1) (2x2 + 7y − 3z + 5) = 2 + 21 − 3 + 5 = 25. Príklad 2 (substitúcia, úprava) lim (x,y)→(0,0) 2 − √ 4 − xy xy . Riešenie: Zavedením substitúcie t = xy prevedieme predloženú úlohu na výpočet limity 1 funkcie jednej premennej t. Naviac, ak x → 0 a y → 0, potom zrejme t = xy → 0 · 0 = 0. Preto po zavedení danej substitúcie máme lim (x,y)→(0,0) 2 − √ 4 − xy xy = lim t→0 2 − √ 4 − t t . Nakoľko v poslednej limite nastáva neurčitosť typu 0 0 (samy overte :)), vykonáme vhodnú úpravu – limitovaný zlomok napríklad rozšírime výrazom 2 + √ 4 − t. Postupne dostávame lim t→0 2 − √ 4 − t t = lim t→0 (2 − √ 4 − t) · (2 + √ 4 − t) t · (2 + √ 4 − t) = lim t→0 t t (2 + √ 4 − t) = lim t→0 1 2 + √ 4 − t = 1 4 (samy overte detaily výpočtu ;)). Limita v zadaní príkladu má teda hodnotu lim (x,y)→(0,0) 2 − √ 4 − xy xy = 1 4 . Príklad 3 (úprava) lim (x,y)→(2,2) x2 − y2 x2 − 3y + 3x − xy . Riešenie: Vidíme, že opäť v predloženej limite nastáva neurčitosť typu 0 0 (samy overte :)). To však znamená, že čitateľ i menovateľ limitovaného zlomku vieme ako polynómy rozložiť na súčin, konkrétne lim (x,y)→(2,2) x2 − y2 x2 − 3y + 3x − xy = lim (x,y)→(2,2) (x − y)(x + y) (x − y)(x + 3) = lim (x,y)→(2,2) x + y x + 3 = 4 5 . 2 Príklad 4 (substitúcia) lim (x,y)→(0,a) sin(xy) x , a ∈ R. Riešenie: Jedná sa zrejme o neurčitosť 0 0 . Namiesto premenných x, y budeme uvažovať premenné t, y, kde t = xy. Nakoľko (x, y) → (0, 0) a a ∈ R, nová limitná podmienka má tvar (t, y) = (xy, y) → (0 · a, a) = (0, a) (samy si dobre premyslite ;)). Pôvodnú limitu v zadaní príkladu sme teda zavedením novej premennej t transformovali opäť na limitu z funkcie dvoch premenných. Novú limitu však vieme ľahšie vypočítať, pretože lim (x,y)→(0,a) sin(xy) x = lim (x,y)→(0,a) sin(xy) xy · y = lim (t,y)→(0,a) sin t t · y = 1 · a = a :). Príklad 5 (substitúcia) lim (x,y)→(4,0) tg (√ (x − 4)2 − y2 ) x2 √ (x − 4)2 − y2 . Riešenie: Úvaha je podobná ako v predchádzajúcom príklade. Nastáva neurčitosť typu 0 0 . Namiesto premennej y zavedieme novú premennú t = √ (x − 4)2 − y2, ktorá zrejme spĺňa t → 0 (samy si premyslite jednotlivé argumenty :)). Potom dostanávame lim (x,y)→(4,0) tg (√ (x − 4)2 − y2 ) x2 √ (x − 4)2 − y2 = lim (x,t)→(4,0) tg t x2t = lim (x,t)→(4,0) tg t t · 1 x2 = lim (x,t)→(4,0) sin t t · 1 cos t · 1 x2 = 1 · 1 · 1 16 = 1 16 . 3 Príklad 6 (polárne súradnice, úprava) lim (x,y)→(0,0) 1 − cos (x2 + y2 ) (x2 + y2) x2y2 . Riešenie: V limite v zadaní príkladu nastáva neurčitosť 0 0 (samy overte :)). Zavedieme polárne súradnice ρ, φ v okolí limitného bodu [0, 0], t.j., x = ρ cos φ, y = ρ sin φ. Predložená limita potm nadobudne tvar lim ρ→0+ 1 − cos ρ2 ρ4 sin2 φ cos2 φ = lim ρ→0+ 1 − cos ρ2 ρ4 · 1 sin2 φ cos2 φ (samy overte detaily ;)). Výraz obsahujúci ρ môžeme upraviť takto 1 − cos ρ2 ρ4 = 1−cos ρ2 2 sin2 ρ2 2 ρ4 = 1 2 · sin2 ρ2 2 ( ρ2 2 )2 = 1 2 · ( sin ρ2 2 ρ2 2 )2 (samy si pozorne premyslite jednotlivé kroky :)). Po dosadení máme lim ρ→0+ 1 − cos ρ2 ρ4 sin2 φ cos2 φ = lim ρ→0+ ( sin ρ2 2 ρ2 2 )2 · 1 2 sin2 φ cos2 φ = 1 2 sin2 φ cos2 φ , nakoľko výraz v zátvorke konverguje k 1 (i toto samy overte ;)). Výsledná limita teda závisí na uhle φ, a preto neexistuje. Príklad 7 (sférické súradnice) lim (x,y,z)→(0,0,0) x x + y + z . Riešenie: Opäť máme neurčitosť typu 0 0 . Zavedením sférických súradníc ukážeme, že predložená limita neexistuje. Poznamenajme, že ak bod A ∈ R3 má karteziánske súradnice x, y, z, potom jeho sférické súradnice ρ, φ, θ sú definované 4 ρ – dĺžka úsečky spájajúca bod A so začiatkom suradnicového systému O, r ≥ 0, φ – uhol (orientovaný), ktorý zviera priemet úsečky OA do roviny xy s kladným smerom osi x, φ ∈ [0, 2π), θ – uhol (orientovaný), ktorý zviera úsečka OA s kladným smerom osi z, θ ∈ [0, π]. Platia takéto rovnosti x = ρ cos φ sin θ, y = ρ sin φ sin θ, z = ρ cos θ (pokúste sa samy overiť pomocou vhodného obrázku :)). V našom prípade má limitná podmienka tvar ρ → 0+ , takže lim (x,y,z)→(0,0,0) x x + y + z = lim ρ→0+ ρ cos φ sin θ ρ cos φ sin θ + ρ sin φ sin θ + ρ cos θ = lim ρ→0+ cos φ sin θ cos φ sin θ + sin φ sin θ + cos θ = cos φ sin θ cos φ sin θ + sin φ sin θ + cos θ . Výsledná limita závisí na uhloch φ, θ, čo signalizuje, že neexistuje. Príklad 8 (polárne súradnice, úprava, veta o dvoch policajtoch) lim (x,y)→(0,0) (x2 + y2 )x2y2 . Riešenie 1 (polárne súradnice): Jedná sa o neurčitosť typu 00 . Vykonáme vhodnú úpravu lim (x,y)→(0,0) (x2 + y2 )x2y2 = lim (x,y)→(0,0) ex2y2 ln(x2+y2) = e lim (x,y)→(0,0) x2y2 ln(x2+y2) (v poslednom kroku sme využili spojitosť exponenciálnej funkcie :)). V poslednej limite teraz zavedieme polárne súradnice na okolí bodu [0, 0], t.j., x = ρ cos φ a y = ρ sin φ. Postupne dostaneme lim (x,y)→(0,0) x2 y2 ln(x2 + y2 ) = lim ρ→0+ ρ4 sin2 φ cos2 φ ln ρ2 = lim ρ→0+ ( ρ4 ln ρ2 ) · ( sin2 φ cos2 φ ) 5 (samy overte detaily výpočtu ;)). Limitu z časti ρ4 ln ρ2 vypočítame po menšej úprave napríklad pomocou l’Hospitalovho pravidla, konkrétne lim ρ→0+ ρ4 ln ρ2 = 2 · lim ρ→0+ ρ4 ln ρ = 2 · lim ρ→0+ ln ρ 1 ρ4 = 0 0 , l′ Hospital = 2 · lim ρ→0+ 1 ρ − 4 ρ5 = − 1 2 · lim ρ→0+ ρ4 = 0. Pre každú hodnotu uhla φ ∈ [0, 2π) teda platí rovnosť lim ρ→0+ ( ρ4 ln ρ2 ) · ( sin2 φ cos2 φ ) = 0. Táto konvergencia je naviac rovnomerná vzhľadom na φ, nakoľko platí ( ρ4 ln ρ2 ) · ( sin2 φ cos2 φ ) − 0 ≤ ρ4 ln ρ2 · sin2 φ cos2 φ ≤1 ≤ ρ4 ln ρ2 a výraz |ρ4 ln ρ2 | → 0 pre ρ → 0+ , ako sme ukázali vyššie (samy si dobre premyslite :)). Preto limita lim ρ→0+ ( ρ4 ln ρ2 ) · ( sin2 φ cos2 φ ) = lim (x,y)→(0,0) x2 y2 ln(x2 + y2 ) existuje s hodnotou 0. Z toho pre limitu v zadaní príkladu na základe úvodných úprav ihneď vyplýva lim (x,y)→(0,0) (x2 + y2 )x2y2 = e0 = 1 :). Riešenie 2 (úprava, veta o dvoch policajtoch): Limita v zadaní príkladu sa dá stanoviť i pomocou vety o dvoch policajtoch pre funkciu jednej premennej :). Je však potrebné si najprv premyslieť niekoľko skutočností. V prvom rade budeme potrebovať nerovnosť 2|xy| ≤ x2 + y2 . Jej dôkaz nechávame na čitateľa (napríklad pomocou očividnej nerovnosti 0 ≤ (|x| − |y|)2 :)). Ďalej platí |xy| = √ x2y2 (samy overte ;)). Preto máme 2 · (x2 y2 ) 1 2 ≤ x2 + y2 . 6 Konvergenčná podmienka v predloženej limite hovorí, že sa s bodom [x, y] blížime do bodu [0, 0]. To znamená, že vzdialenosť √ x2 + y2 konverguje do nuly (samy si pozorne premyslite :)). Od istého okamihu bude teda splnená nerovnosť √ x2 + y2 ≤ 1 ⇐⇒ x2 + y2 ≤ 1 (i toto si samy dobre premyslite ;)). Kombináciou posledných dvoch nerovností dostaneme 2 · (x2 y2 ) 1 2 ≤ 2|xy| ≤ x2 + y2 ≤ 1. Následním umocnením na kladný výraz x2 y2 získame [ 2 · (x2 y2 ) 1 2 ]x2y2 ≤ (x2 + y2 )x2y2 ≤ 1x2y2 ⇓ 2x2y2 · [ (x2 y2 )x2y2 ]1 2 ≤ (x2 + y2 )x2y2 ≤ 1. No a teraz aplikujeme vetu o dvoch policajtoch :). Vonkajšie výrazy poslednej nerovnosti totiž konvergujú do 1, nakoľko lim(x,y)→(0,0) 1 = 1 a lim (x,y)→(0,0) 2x2y2 · [ (x2 y2 )x2y2 ]1 2 = lim (x,y)→(0,0) 2x2y2 · lim (x,y)→(0,0) [ (x2 y2 )x2y2 ]1 2 = 20 · [ lim (x,y)→(0,0) (x2 y2 )x2y2 ]1 2 = 20 · 1 1 2 = 1. V poslednom kroku sme využili limitu funkcie jednej premennej lim t→0+ tt = 1, pomocou substitúcie t = x2 y2 (samy overte jednotlivé argumenty :)). Podľa vety o dvoch policajtoch potom i prostredný výraz v poslednej nerovnosti musí konvergovať do 1. Preto dostávame lim (x,y)→(0,0) (x2 + y2 )x2y2 = 1 :). 7 Príklad 9 (úprava) lim (x,y)→(∞,a) ( 1 + 1 x ) x2 x+y , a ∈ R. Riešenie: Nastáva zrejme neurčitosť typu 1 ∞ ∞ . Pomocou úpravy lim (x,y)→(∞,a) [( 1 + 1 x )x] x x+y , vidíme, že výraz v hranatej zátvorke konverguje k Eulerovmu číslu e (samy overte :)), kým limita exponentu je lim (x,y)→(∞,a) x x + y = lim (x,y)→(∞,a) 1 1 + y x = 1. Pre hľadanú limitu teda platí lim (x,y)→(∞,a) ( 1 + 1 x ) x2 x+y = lim (x,y)→(∞,a) [( 1 + 1 x )x] x x+y = e1 = e. Príklad 10 (úprava) lim (x,y)→(∞,∞) ( xy x2 + y2 )x2 . Riešenie: Máme neurčitosť typu (∞ ∞ )∞ . Využijeme odhad 0 ≤ xy x2 + y2 ≤ 1 2 . Táto nerovnosť vyplýva z výpočtu 0 ≤ (|x| − |y|)2 , 8 0 ≤ x2 + y2 − 2|x| · |y|, 2|x| · |y| ≤ x2 + y2 , |x| · |y| x2 + y2 ≤ 1 2 , x2 + y2 ̸= 0, 0 ≤ xy x2 + y2 ≤ 1 2 . Ďalej dostávame 0 ≤ ( xy x2 + y2 ) x2 ≤ ( 1 2 )x2 ⇓ 0 ≤ ( xy x2 + y2 )x2 ≤ ( 1 2 )x2 . Avšak lim (x,y)→(∞,∞) ( 1 2 )x2 = 0, takže podľa vety o dvoch policajtoch máme lim (x,y)→(∞,∞) ( xy x2 + y2 )x2 = 0 =⇒ lim (x,y)→(∞,∞) ( xy x2 + y2 )x2 = 0 (samy si premyslite platnosť poslednej implikácie ;)). 9 Príklad 11 (polárne súradnice) lim (x,y)→(∞,∞) x + y x2 − xy + y2 . Riešenie: Máme neurčitosť typu ∞ ∞ . Zavedieme polárne súradnice v okolí bodu [0, 0] x = ρ cos φ, y = ρ sin φ, pričom konvergenčná podmienka teraz bude ρ → ∞ a φ ∈ ( 0, π 2 ) pre body roviny s dostatočne veľkým ρ (samy si to dobre premyslite pomocou vhodného obrázku; zaujímajú nás body roviny s veľkým kladným x a s veľkým kladným y :)). Po dosadení dostaneme lim ρ→∞ ρ cos φ + ρ sin φ ρ2 cos2 φ − ρ2 cos φ sin φ + ρ2 sin2 φ = lim ρ→∞ 1 ρ · cos φ + sin φ 1 − cos φ sin φ = 0 pre každú hodnotu uhla φ ∈ ( 0, π 2 ) (samy overte :)). Treba ešte ukázať, že táto konvergencia je rovnomerná vzhľadom na φ, t.j., potrebujeme zhora ohraničiť výraz 1 ρ · cos φ + sin φ 1 − cos φ sin φ − 0 = 1 ρ · cos φ + sin φ 1 − cos φ sin φ niečím, čo nezávisí na uhle φ a konverguje do nuly pre ρ → ∞. Bolo by teda fajn ohraničiť zhora zlomok cos φ + sin φ 1 − cos φ sin φ . To znamená ohraničiť jeho čitateľ zhora a jeho menovateľ zdola (samy si premyslite ;)). Platí | cos φ + sin φ| ≤ | cos φ| + | sin φ| ≤ 2. Ďalej máme cos φ sin φ = 1 2 sin 2φ, −1 ≤ sin 2φ ≤ 1. Platia teda nerovnosti − 1 2 ≤ cos φ sin φ ≤ 1 2 . 10 Vykonáme na nich teraz niekoľko úprav − 1 2 ≤ cos φ sin φ ≤ 1 2 , 1 2 ≥ − cos φ sin φ ≥ − 1 2 , 1 + 1 2 ≥ 1 − cos φ sin φ ≥ 1 − 1 2 , 3 2 ≥ 1 − cos φ sin φ ≥ 1 2 . Výraz 1 − cos φ sin φ je teda kladný, a preto |1 − cos φ sin φ| = 1 − cos φ sin φ ≥ 1 2 . Našli sme teda ohraničenia | cos φ + sin φ| ≤ 2, |1 − cos φ sin φ| ≥ 1 2 , ktoré ihneď implikujú nerovnosť cos φ + sin φ 1 − cos φ sin φ = | cos φ + sin φ| |1 − cos φ sin φ| ≤ 2 1/2 = 4. Potom dostávame odhad 1 ρ · cos φ + sin φ 1 − cos φ sin φ − 0 = 1 ρ · cos φ + sin φ 1 − cos φ sin φ ≤ 4 ρ . Okrem toho lim ρ→∞ 4 ρ = 0, ako sme si želali. Preto limita v zadaní príkladu existuje a platí lim (x,y)→(∞,∞) x + y x2 − xy + y2 = 0. Príklad 12 Určme body nespojitosti funkcie f(x, y) = x2 + 3y x2 − 3y . 11 Riešenie: Keďže funkcia f(x, y) je poskladaná z elementárnych funkcií, bude nespojitá práve v bodoch, v ktorých nie je definovaná, t.j. všade tam, kde platí rovnosť x2 − 3y = 0. Množina bodov nespojitosti f(x, y) je teda graf funkcie y = x2 3 . Príklad 13 Nájdime body nespojitosti funkcie f(x, y) =    xy x2+y2 , [x, y] ̸= [0, 0], 0, [x, y] = [0, 0]. Riešenie: Zrejme jediný problematický bod je [0, 0]. Pozrieme sa na limitu funkcie f(x, y) v tomto bode. Platí lim (x,y)→(0,0) f(x, y) = lim (x,y)→(0,0) xy x2 + y2 . Zavedením polárnych súradníc v okolí [0, 0] dostaneme lim (x,y)→(0,0) xy x2 + y2 = lim ρ→0+ ρ2 cos φ sin φ ρ2 = lim ρ→0+ cos φ sin φ = cos φ sin φ. Výsledná limita závisí na uhle φ, preto f(x, y) nemá limitu v bode [0, 0]. Teda funkcia f(x, y) nie je spojitá v [0, 0], všade inde je spojitá (prečo? :)). Pri počítaní limít z funkcií viac premenných sme väčšinou uvažovali situáciu typu lim (x,y)→(a,b) [. . .], t.j., premenné x, y sa súčasne a nezávisle blížia k číslam a, b. Niekedy sa vyskytne situácia typu (tzv. opakované alebo tiež dvojnásobné limity) lim x→a [ lim y→b [. . .] ] , resp. lim y→b [ lim x→a [. . .] ] , 12 t.j., premenné x, y sa opäť nezávisle blížia k číslam a, b, ale nie súčasne – najprv sa pohybujeme s premennou y, a až potom sa pohybujeme s premennou x, resp. naopak. Táto drobná odlišnosť môže dramaticky zmeniť charakter počítanej limity. Príklad 14 Vypočítajme limity lim (x,y)→(0,0) x2 y2 x2y2 + (x − y)2 , lim x→0 [ lim y→0 x2 y2 x2y2 + (x − y)2 ] , lim y→0 [ lim x→0 x2 y2 x2y2 + (x − y)2 ] . Riešenie: Prvá limita neexistuje. Odkiaľ berieme podozrenie? Podozrivá je „nesúrodosť členov obsiahnutých v limitovanom výraze. Člen x2 y2 je 4. rádu, naproti tomu člen (x−y)2 je iba 2. rádu a navyše sa vyskytuje iba v menovateli. Ak by sme s premennými konvergovali do ±∞, bolo by všetko v poriadku, nakoľko člen 4. rádu by po istom čase prevážil člen 2. rádu. Avšak my ideme s oboma premennými do nuly, takže dominantným sa pre malinké x, y stáva člen 2. rádu – pokiaľ úplne nevymizne. Posledná poznámka je podstatná. Ak budeme totiž cestovať po trase y = x (to iste môžeme, nakoľko táto trasa leží v definičnom obore limitovaného výrazu pre x, y ̸= 0), dominantný člen (x − y)2 vymizne a dostaneme limitu lim x→0 x4 x4 = 1. Ak však pôjdeme po ceste 2y = x (opäť môžeme), člen druhého rádu nevymizne a výrazne tým zamieša karty lim y→0 4y4 4y4 + y2 = lim y→0 4y2 4y2 + 1 = 0. Tým sme našu domnienku o neexistencii prvej limity potvrdili :). 13 Druhá limita sa vypočíta tak, že premennú x „ľubovoľne zafixujeme a vypočítame lim y→0 x2 y2 x2y2 + (x − y)2 ako limitu jednej premennej y (x chápeme ako konštantu). Táto limita existuje, keďže lim y→0 x2 y2 x2y2 + (x − y)2 = 0 x2 = 0. Následne tento výsledok limitujeme podľa x lim x→0 0 = 0. Teda lim x→0 [ lim y→0 x2 y2 x2y2 + (x − y)2 ] = 0. Situácie dopadne podobne aj v prípade tretej limity, nakoľko premenné x, y vystupujú v limitovanom výraze symetricky, t.j., lim y→0 [ lim x→0 x2 y2 x2y2 + (x − y)2 ] = 0. Zistili sme teda, že napriek tomu, že limita z danej funkcie neexistuje, obidve opakované limity existujú a dokonca sa rovnajú :). Príklad 15 Stanovme limity lim (x,y)→(0,0) (x + y) sin 1 x sin 1 y , lim x→0 [ lim y→0 (x + y) sin 1 x sin 1 y ] , lim y→0 [ lim x→0 (x + y) sin 1 x sin 1 y ] . 14 Riešenie: Prvá limita existuje, nakoľko sin(1/x) sin(1/y) je ohraničená funkcia a výraz x + y konverguje do nuly. Preto lim (x,y)→(0,0) (x + y) sin 1 x sin 1 y = 0 (samy overte :)). Avšak ani jedna z dvojnásobných limít však neexistuje. Uvažujme napríklad limitu lim x→0 [ lim y→0 (x + y) sin 1 x sin 1 y ] . Premennú x zafixujeme. Potom lim y→0 (x + y) sin 1 x sin 1 y = lim y→0 ( x sin 1 x sin 1 y + y sin 1 x sin 1 y ) . Druhý sčítanec konverguje do nuly (sínusová časť je ohraničená, y → 0). Limita prvej časti neexistuje (sin(1/y) nemá limitu pre y → 0). To znamená, že ani celková limita neexistuje. Možno sa zdá, že je nutné zafixovať také x, aby limita lim y→0 x sin 1 x sin 1 y existovala a potom bude všetko v poriadku :). Iste také x existuje, napríklad x = 1 π . Treba si však uvedomiť, o čo tu v skutočnosti ide. Možno to prirovnať k akejsi štafete :). Prvé vyštartuje y a po dobehnutí (v našom prípade do bodu 0) odovzdá svoj kolík (t.j. výsledok svojho limitovania) premennej x. Preberanie kolíka musí prebehnúť za akýchkoľvek podmienok – premenná y musí byť schopná odovzdať svoj kolík po prebehnutí každej dostupnej trasy a pri každej dostupnej pozícií premennej x. (dostupná trasa a dostupná pozícia leží v definičnom obore funkcie). Inými slovami, limita podľa y musí existovať pre každé zafixované x. Podobne, nech premenná x preberie kolík kdekoľvek, musí ho opäť šťastlivo priniesť do cieľa (zas po každej prípustnej trase). V našom prípade je však premenná y tak nemožná, že svoj kolík skoro vždy stratí, t.j., kolík, teda výsledok po limitovaní podľa y, skoro nikdy neexistuje :( (až na pár vzácnych okamihov, keď ju premenná x čaká na vhodných pozíciách, napr. x = 1 π ). Takže o nejakom zdarnom dopravení kolíka do cieľa nemože byť ani reč; premenná x nemá čo priniesť do cieľa :-/. Preto uvedená dvojnásobná limita neexistuje. Podobne je to i v prípade tretej limity (tam zas zlyháva premenná x so svojím kolíkom :)). 15