קבוצה סגורה

Download Report

Transcript קבוצה סגורה

‫‪1‬‬
‫מתמטיקה ב' לכלכלנים‬
‫שיעור ‪ – 2‬הגדרות‪ ,‬קבוצות‪ ,‬גבולות ורציפות‬
‫תיאוריה‬
‫‪2‬‬
‫פונקציה ב‪ K‬משתנים‬
‫• הגדרה‪ :‬תהי ‪ D‬קבוצת ‪-K‬יות של מספרים‪ .‬פונקציה ‪ f‬ב‪ K-‬משתנים‬
‫מתאימה לכל ‪-K‬יה ב‪ D-‬מספר יחיד‪.‬‬
‫‪ D‬נקרא התחום של ‪.f‬‬
‫• נסמן ב‪ W-‬את אוסף כל הערכים ש‪ f-‬מקבלת על ‪ W ,D‬נקרא‬
‫הטווח של ‪ f‬ומסמנים‪:‬‬
‫‪F ( x1 ... x k ) : D  W‬‬
‫‪:‬‬
‫דוגמאות‬
‫•‬
‫) ‪D  R , W  R  [0, ‬‬
‫‪2‬‬
‫) ‪D  R , W  [1, ‬‬
‫‪2‬‬
‫‪D  { x , y | x  y }, W  R ‬‬
‫• לעיתים מכונה התחום – תחום הגדרה‬
‫‪2‬‬
‫‪F ( x, y ) ‬‬
‫‪x  y‬‬
‫‪2‬‬
‫‪2‬‬
‫‪x‬‬
‫‪F ( x, y )  x  e‬‬
‫‪x y‬‬
‫‪2‬‬
‫‪F ( x, y ) ‬‬
‫‪3‬‬
‫הצגה גרפית של פונקציה ב‪ 2‬משתנים‬
‫• נסתכל על הפונקציה‬
‫• הצגה כגרף ‪-3‬ממדי‪:‬‬
‫‪2‬‬
‫‪F ( x, y )  2 x  y‬‬
‫‪2‬‬
‫‪4‬‬
‫הצגה גרפית של פונקציה ב‪ 2‬משתנים‬
‫• נסתכל על הפונקציה‬
‫• הצגה כמספרים על ריבוע דו ממדי‪:‬‬
‫‪2‬‬
‫‪Y‬‬
‫‪16‬‬
‫‪X‬‬
‫‪-8‬‬
‫‪F ( x, y )  2 x  y‬‬
‫‪2‬‬
‫‪5‬‬
‫הצגה גרפית של פונקציה ב‪ 2‬משתנים‬
‫• נסתכל על הפונקציה‬
‫• הצגה כקווי גובה‪:‬‬
‫‪2‬‬
‫‪Y‬‬
‫‪X‬‬
‫‪F ( x, y )  2 x  y‬‬
‫‪2‬‬
‫‪6‬‬
‫מושגי יסוד במרחב ובמישור‬
‫הגדרה‪ :‬נקודה ב‪k-‬‬
‫של מספרים ממשים‪.‬‬
‫יה‬
‫‬‫‪K‬‬
‫‪:‬‬
‫‪R‬‬
‫‪‬‬
‫מסומנת‪ (x1, x2,…, xk( :‬או ‪(, x‬לפעמים נשמיט את החץ)‬
‫מרחק‪ :‬המרחק בין שתי נקודות‬
‫‪2‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫) ‪x1  ( x1 , y 1 ), x 2  ( x 2 , y 2‬‬
‫) ‪( x 2  x1 )  ( y 2  y 1‬‬
‫‪2‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪|| x1  x 2 || ‬‬
‫(‪)3,4‬‬
‫‪Y‬‬
‫‪X‬‬
‫(‪)3,4‬‬
‫‪Y‬‬
‫(‪)-1,1‬‬
‫‪X‬‬
‫סביבת ‪ :‬אוסף כל הנקודות שמרחקן מנקודה )‪ (x,y‬קטן‬
‫מאפסילון נקרא סביבת ‪ ‬של )‪ .(x,y‬אם נרצה שלא‬
‫(‪)3,2‬‬
‫לכלול את )‪ (x,y‬בסביבה – נאמר כי הסביבה מנוקבת‪.‬‬
‫‪X‬‬
‫‪Y‬‬
‫‪2=‬‬
7
‫הכללת המרחק לממדים גבוהים‬
‫ המרחק בין שתי נקודות‬:)‫מרחק (רב ממדי‬


x  ( x1 , x 2 ,..., x k ), x '  ( x '1 , x ' 2 ,..., x ' k )


|| x1  x 2 || 
( x1  x '1 )  ( x 2  x ' 2 )  ...  ( x k  x ' k )
2
2
2
:‫הוא‬
.‫• לא תמיד טבעי בממדים גבוהים‬


|| x1  x 2 ||1  | x1  x '1 |  | x 2  x ' 2 |  ...  | x k  x ' k |


|| x1  x 2 ||   max(| x1  x '1 |, | x 2  x ' 2 |,..., | x k  x ' k |)
‫‪8‬‬
‫קבוצות פתוחות‪ ,‬סגורות וחסומות (אינטואיציה)‬
‫• כשחיפשנו נקודות קיצון בקורס הקודם – חילקנו את‬
‫פעולתנו לשני שלבים‪:‬‬
‫– מציאת קיצון בפנים‪.‬‬
‫– מציאת קיצון בשוליים‪.‬‬
‫• למשל בקבוצה‪:‬‬
‫חיפשנו בנקודות הקצה‪:‬‬
‫] ‪[ 0 ,1)  ( 2 ,3 )  [ 4 ,5 )  ( 5 , 6‬‬
‫‪0 , 4 ,5‬‬
‫‪9‬‬
‫קבוצות פתוחות‪ ,‬סגורות וחסומות (אינטואיציה)‬
‫• מהי שפה רב ממדית?‬
‫– נקודה נמצאת בשפה אם קרוב אליה יש גם נקודות בקבוצה‬
‫וגם נקודות מחוף לה‪.‬‬
‫נקודת שפה‪ :‬נקודה ‪ x‬נקראת שפה בקבוצה ‪ A‬אם לכל ‪ ,‬יש‬
‫נקודה בסביבת ‪ ‬של ‪ x‬מחוץ ל‪ A‬ונקודה בסביבה זו בתוך ‪.A‬‬
‫‪10‬‬
‫קבוצות פתוחות‪ ,‬סגורות וחסומות (אינטואיציה)‬
‫• נסתכל על שתי קבוצות‪:‬‬
‫‪ = A‬אוסף הנקודות במישור שמרחקן מראשית הצירים קטן מ‪2-‬‬
‫• ‪ = B‬אוסף הנקודות במישור שמרחקן מראשית הצירים קטן או שווה ‪.2‬‬
‫}‪A  {( x , y ) || ( x , y )  ( 0 , 0 ) ||  2‬‬
‫}‪B  {( x , y ) || ( x , y )  ( 0 , 0 ) ||  2‬‬
‫‪A‬‬
‫‪Y‬‬
‫‪X‬‬
‫• ‪ A‬נקראת כדור פתוח ברדיוס ‪2‬‬
‫(או סביבת ‪ 2‬של ‪)x,y‬‬
‫• ‪ B‬נקראת כדור סגור ברדיוס ‪2‬‬
‫‪B‬‬
‫‪Y‬‬
‫‪X‬‬
‫‪11‬‬
‫קבוצות פתוחות‪ ,‬סגורות וחסומות (אינטואיציה)‬
‫לא מכילה שום חלק משפתה‪.‬‬
‫‪A‬‬
‫קבוצה פתוחה‬
‫‪Y‬‬
‫‪X‬‬
‫קבוצה זו מכילה את שפתה‪.‬‬
‫קבוצה סגורה‬
‫‪B‬‬
‫‪X‬‬
‫‪Y‬‬
‫‪12‬‬
‫יש קבוצות שאינן פתוחות ואינן סגורות‪.‬‬
‫}‪A  {( x , y )  5  x  5 ,  5  y  5‬‬
‫‪ ‬פתוחה‬
‫‪ ‬סגורה‬
‫‪A‬‬
‫לכול נקודה בקבוצה זו‬
‫יש סביבה שנמצאת‬
‫בתוך הקבוצה‪.‬‬
‫מקיימת כי‪:‬‬
‫אם בכל סביבת ‪ ‬של‬
‫נקודה ‪ X‬יש נקודה‬
‫בקבוצה אז ‪ X‬בקבוצה‬
‫‪Y‬‬
‫)‪(-5,1‬‬
‫‪X‬‬
‫)‪(1,-5‬‬
‫‪13‬‬
‫ויש קבוצות שהן גם פתוחות וגם סגורות‬
‫קבוצות ללא שפה‪:‬‬
‫‪A‬‬
‫‪B  R‬‬
‫‪14‬‬
‫קבוצות פתוחות וסגורות (פורמלי)‬
‫נקודה פנימית‪ :‬נקודה ‪ x‬נקראת פנימית בקבוצה ‪ A‬אם קיים ‪ ‬כך‬
‫שסביבת ‪ ‬של ‪ x‬כולה מוכלת ב‪.A‬‬
‫קבוצה משלימה‪ :‬הקבוצה ‪ Ac‬הנקראת משלימה של ‪( A‬או ‪A‬‬
‫משלים) היא קבוצת כל הנקודות במרחב שאינן ב‪.A‬‬
‫‪Y‬‬
‫קבוצה פתוחה‪ :‬קבוצה שכל נקודותיה פנימיות‪.‬‬
‫‪X‬‬
‫קבוצה סגורה‪ A :‬נקראת סגורה אם ‪ Ac‬פתוחה‪ ,‬כלומר כל‬
‫נקודותיה פנימיות‪.‬‬
‫‪Y‬‬
‫‪X‬‬
‫‪15‬‬
‫קבוצות פתוחות וסגורות (פורמלי)‬
‫משפט‪ :‬התכונות הבאות שקולות‪:‬‬
‫‪ A .1‬פתוחה‬
‫‪ A .2‬לא מכילה את שפתה‪.‬‬
‫תזכורת‪:‬‬
‫קבוצה פתוחה‪ :‬קבוצה‬
‫שכל נקודותיה פנימיות‪.‬‬
‫קבוצה סגורה‪ A :‬נקראת סגורה‬
‫אם ‪ Ac‬פתוחה‪ ,‬כלומר כל‬
‫נקודותיה פנימיות‪.‬‬
‫‪16‬‬
‫קבוצות פתוחות וסגורות (פורמלי)‬
‫משפט‪ :‬התכונות הבאות שקולות‪:‬‬
‫‪ A .1‬קבוצה פתוחה‪.‬‬
‫‪ A .2‬אינה מכילה שום חלק משפתה‪.‬‬
‫הוכחה‪21 :‬‬
‫נקודה ‪ x‬נקראת פנימית אם יש קיים ‪ ‬כך שבסביבת ‪ ‬שלה‬
‫כל הנקודות שייכות לקבוצה‪ .‬בסביבה זו אין אף נקודה מחוץ‬
‫לקבוצה – ולכן זו אינה נקודת שפה‪ .‬הוכחנו זאת עבור נקודה‬
‫כללית ולכן אין ב‪ A‬אף נקודת שפה‪.‬‬
‫לא ‪1‬לא ‪2‬‬
‫אם ‪ A‬אינה פתוחה – אז היא מכילה נקודה ‪ x‬שבכל סביבה‬
‫שלה יש נקודה מחוץ לקבוצה‪ .‬מצד שני בכל סביבה של ‪ x‬יש‬
‫נקודה בקבוצה – ‪ x‬עצמה‪ .‬מכאן שנקודה זו היא‬
‫נקודת שפה ש‪ A‬מכילה‪.‬‬
‫‪17‬‬
‫קבוצות פתוחות וסגורות (פורמלי)‬
‫המשפט הבא יתרגל אותנו בכתיבת הוכחה‪.‬‬
‫משפט‪ :‬התכונות הבאות שקולות‪:‬‬
‫‪ A .1‬קבוצה סגורה‬
‫‪ .2‬כל נקודה שלכל סביבותיה חיתוך לא ריק עם ‪ A‬נמצאת‬
‫ב‪A‬‬
‫תזכורת‪:‬‬
‫קבוצה פתוחה‪ :‬קבוצה‬
‫שכל נקודותיה פנימיות‪.‬‬
‫קבוצה סגורה‪ A :‬נקראת סגורה‬
‫אם ‪ Ac‬פתוחה‪ ,‬כלומר כל‬
‫נקודותיה פנימיות‪.‬‬
‫‪18‬‬
‫קבוצות פתוחות וסגורות (פורמלי)‬
‫משפט‪ :‬התכונות הבאות שקולות‪:‬‬
‫‪ A .1‬קבוצה סגורה‬
‫‪ .2‬כל נקודה שלכל סביבותיה חיתוך לא ריק עם ‪ A‬נמצאת‬
‫ב‪A-‬‬
‫הוכחה‪12 :‬‬
‫לפי ההגדרה לכל נקודה שאינה ב‪ A-‬קיימת סביבת ‪ ‬כלשהי‬
‫מחוץ ל‪( A-‬אחרת היא היתה ב‪ A‬לפי תנאי ‪ .)2‬לכן כל נקודה‬
‫בקבוצה המשלימה של ‪ A‬פנימית בה‪ ,‬ולפי הגדרה ‪ A‬סגורה‪.‬‬
‫לא ‪  2‬לא ‪1‬‬
‫נניח כי טענה ‪ 2‬שגויה ‪ ‬קיימת נקודה ‪ x‬כך שהיא שייכת ל‪-‬‬
‫‪ Ac‬אך אין לה אף סביבה שכולה ב‪ .Ac-‬מכאן שזו לא נקודה‬
‫פנימית ב‪ ;Ac-‬אנו מסיקים כי לא כל הנקודות ב‪ Ac-‬פנימיות‬
‫ולכן ‪ A‬אינה סגורה‪.‬‬
‫‪19‬‬
‫קבוצות פתוחות וסגורות (פורמלי)‬
‫שפה‪ :‬אוסף כל נקודות השפה‪.‬‬
‫מסקנה‪ :‬קבוצה היא פתוחה אם ורק אם כל השפה שלה אינה‬
‫שייכת לה‪ .‬באופן דומה קבוצה היא סגורה אם שפתה שייכת לה‪.‬‬
‫‪Y‬‬
‫‪X‬‬
‫אותה שפה!‬
‫‪Y‬‬
‫‪X‬‬
‫‪20‬‬
‫קבוצה חסומה‬
‫נקודות בה חסום‪.‬‬
‫הפורמלית?‬
‫כל שתי‬
‫להגדרה‬
‫שהמרחק בין‬
‫האינטואיציה‬
‫ביןקבוצה‬
‫חסומה‪:‬‬
‫קבוצה הקשר‬
‫אז מה‬
‫הגדרה חלופית‪ :‬קבוצה המוכלת בתוך סביבת ‪ ‬כלשהי של כל‬
‫נקודה בה‪.‬‬
‫דוגמאות‪:‬‬
‫}‪A  {( x , y )  5  x  5 ,  5  y  5‬‬
‫}‪B  {( x , y )  5  x ,  5  y  5‬‬
‫‪Y‬‬
‫‪X‬‬
‫‪Y‬‬
‫‪X‬‬
‫‪21‬‬
‫גבולות (אינטואיציה)‬
‫אנחנו מעוניינים להגדיר שיפועים רגעיים ושינויים רגעיים‪.‬‬
‫בכדי לעשות זאת אנחנו רוצים לדבר על התנהגות של ערכי‬
‫פונקציה כשהם הולכים ומתקרבים לערך מטרה‪.‬‬
‫הצעה לניסוח מילולי של גבול‪ :‬ככל שנתקרב לנקודה ‪ x0‬כך‬
‫הפונקציה תתקרב לערך מטרה ‪lim f ( x )  l‬‬
‫‪x x‬‬
‫‪0‬‬
‫בעיה‪:‬‬
‫‪Y‬‬
‫‪X‬‬
‫צריך לוודא שמגיעים‬
‫בסוף‪.‬‬
‫‪22‬‬
‫גבולות (אינטואיציה)‬
‫ננסה לנסח מחדש אבל הפעם נדרוש להגיע‪.‬‬
‫אבל אי אפשר להגיע ממש (כי אנחנו רק רוצים לדבר על מה‬
‫שקורה כשמתקרבים)‪.‬‬
‫אז נבקש להגיע הכי קרוב שאפשר‪.‬‬
‫הצעה לניסוח מילולי של גבול‪ :‬לכל מידת קרבה ל‪ l-‬שנבקש‪,‬‬
‫אם נתקרב מספיק בציר ה‪ x‬לנקודה ‪ x0‬כל ערכי הפונקציה‬
‫יהיו קרובים ל‪ l-‬במידה זו‪.‬‬
‫‪23‬‬
‫גבולות‬
‫כעת ניזכר בהגדרת הגבול מהקורס הקודם‪ ,‬תהי‬
‫המוגדרת בתחום ‪B‬‬
‫הגדרה‪:‬‬
‫‪f ( x)  l‬‬
‫‪f‬‬
‫פונקציה‬
‫‪ xlim‬אם לכל ‪ <0‬קיימת ‪ <0‬כך שאם‬
‫‪x‬‬
‫מתקיים ‪. || f ( x )  f ( x 0 ) ||  ‬‬
‫‪x B‬‬
‫‪0‬‬
‫‪|| x  x 0 ||  ‬‬
‫בזכות מושג הסביבה נוכל לתרגם הגדרה זו לכל מימד‪.‬‬
‫‪‬‬
‫‪lim‬‬
‫‪f‬‬
‫(‬
‫‪x‬‬
‫‪)l‬‬
‫‪ ‬‬
‫‪ x  x‬אם לכל ‪ <0‬קיימת סביבת ‪ <0‬נקובה‬
‫הגדרה‪:‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫של ‪ x0‬שנסמנה ‪ A‬כך שלכל ‪ x  A  B‬מתקיים‬
‫‪|| f ( x )  l ||  ‬‬
‫‪0‬‬
‫‪ ( x , y )lim‬אם לכל ‪ <0‬קיימת ‪<0‬‬
‫‪(x ,y‬‬
‫ניסוח ל‪ 2‬משתנים‪:‬‬
‫כך שלכל ) ‪ ( x , y )  ( x 0 , y 0‬ב‪B -‬‬
‫עבורם מתקיים ‪ ( x  x 0 ) 2  ( y  y 0 ) 2  ‬מתקיים גם ‪f ( x , y )  l ||  ‬‬
‫‪f ( x, y )  l‬‬
‫)‪0‬‬
‫‪0‬‬
‫||‬
‫‪24‬‬
‫גבולות‬
‫ציור ממחיש‪:‬‬
25
‫גבולות – תכונות הגבול‬
:)‫תכונות הגבול (כפי שראינו בסמסטר שעבר‬
lim
( x , y )  ( x0 , y 0 )
( x )  x0
lim
( x , y )  ( x0 , y0 )
lim
( x , y )  ( x0 , y0 )
( y )  y0
(C )  C
lim
( x , y )  ( x0 , y0 )
( f ( x , y )  g ( x , y )) 
lim
( x , y ) ( x0 , y0 )
lim
( x , y )  ( x0 , y0 )
lim
( f ( x , y ) g ( x , y )) 
( x , y )  ( x0 , y0 )
( x , y ) ( x
g ( x, y )
lim
0

0
0
0
,y
0
,y
0
)
lim
( x , y ) ( x
g ( x, y )
0
,y
0
)
g ( x, y )
0
,y
0
)
)
g ( x, y )
0
0
lim
( x , y ) ( x
)
f ( x, y )
0
)
lim
( x , y ) ( x
,y
f ( x, y )
,y
,y
f ( x, y )
( a  f ( x , y ))  a  lim
( x , y ) ( x
0
lim
( x , y ) ( x
f ( x, y )
f ( x, y ) 
lim
( x , y ) ( x
 lim


( x , y ) ( x
0
,y
0
)
g ( x , y )  0 

)
!‫בתנאי שכל הגבולות קיימים‬
‫‪26‬‬
‫גבולות – תכונות הגבול‬
‫תכונות הגבול בשני ממדים בלבד‪:‬‬
‫אם הגבול קיים – ניתן להגיע אליו בכל מסילה‪.‬‬
‫‪y  4t , x  t‬‬
‫‪y  1  t, x  t‬‬
‫צריך רק להקפיד לבחור מסילה שאכן‬
‫מגיעה אל נקודת הגבול‪.‬‬
‫‪27‬‬
‫גבולות – רציפות‬
‫הגדרה‪ :‬פונקציה נקראת רציפה בנקודה )‪ (x0,y0‬אם מתקיים‪:‬‬
‫) ‪f ( x, y )  f ( x0 , y 0‬‬
‫‪lim‬‬
‫) ‪( x , y )  ( x0 , y0‬‬
‫‪28‬‬
‫גבולות – תכונות הפונקציות הרציפות‬
‫פונקציה במשתנה ‪ 1‬נשארת רציפה כשמתייחסים אליה כפונקציה של ‪ 2‬משתנים‪.‬‬
‫אם ‪ f‬ו‪ g‬רציפות בנקודה ‪ a‬אז גם‪:‬‬
‫) ‪( x, y‬‬
‫‪f‬‬
‫) ‪c  f ( x, y‬‬
‫) ‪f  g ( x, y‬‬
‫‪g‬‬
‫אם )‪ g(a‬שונה מ‪.0-‬‬
‫רציפות ב‪ .a‬כמו כן הרכבה של פונקציות רציפות היא רציפה‪.‬‬
‫מסקנה‪ :‬כל הפולינומים הם פונקציות רציפות‪.‬‬
‫) ‪f  g ( x, y‬‬
‫‪29‬‬
‫וכעת נוכל לבנות על יסודות אלו‬
‫את החשבון האינפיניטיסימלי!‬
‫"לכל דבר יש גבול – לא ניתן ללמד עפרת ברזל להיות זהב"‬
‫‪ --‬מארק טווין‬