Stetigkeit

Stetigkeit

Grenzwerte von Funktionen

#Definition Konvergenz

Sei f:D→R eine Funktion (D⊆R) und sei a∈R∪{−∞,+∞}. Wir sagen, f hat für x gegen a den Grenzwert c∈R∪{−∞,+∞}, in Zeichen

limx→af(x)=c,

falls gilt:

  1. Für jede Folge (xn)n mit
    (a) xn∈D,
    (b) xn≠a,
    (c) limn→∞xn=a,
    ist limn→∞f(xn)=c.
  2. Es gibt mindestens eine Folge (xn)n mit (a)–(c).
  1. a kann im Definitionsbereich von f sein, muss aber nicht.
  2. In der Definition setzen wir voraus, dass es Folgen (xn)n∈N in D∖{a} gibt, die gegen a konvergieren: Der Punkt a muss von D∖{a} „erreichbar“ sein. Zum Beispiel ist a=2 für D=[0,1]∪{2} nicht aus D∖{2}=[0,1] erreichbar.
#Satz Grenzwertsätze für Funktionen

Sind limx→af(x)=c und limx→ag(x)=d mit c,d∈R, so gilt:

  1. limx→a(f(x)+g(x))=limx→af(x)+limx→ag(x)=c+d,
  2. limx→a(f(x)g(x))=(limx→af(x))(limx→ag(x))=cd,
  3. limx→a(αf(x))=αlimx→af(x)=αc für jedes α∈R,
  4. limx→af(x)g(x)=limx→af(x)limx→ag(x)=cd, falls d≠0.

Die Rechenregeln gelten auch für a=±∞. Hingegen müssen c,d endlich sein.

Die Rechenregeln 1) und 3) besagen, dass Grenzwertbildung linear ist.
Das Sandwich-Prinzip gilt auch für Grenzwerte von Funktionen.

#Definition Linksseitiger Grenzwert

Sei f:D→R eine Funktion (D⊆R) und sei a∈R∪{−∞,+∞}. Wir sagen, f hat für x gegen a den linksseitigen Grenzwert c∈R∪{−∞,+∞}, in Zeichen

limx↗af(x)=coderlimx→a−f(x)=c,

falls gilt:

  1. Für jede Folge (xn)n∈N mit
    (a) xn∈D,
    (b) xn<a,
    (c) limn→∞xn=a,
    ist limn→∞f(xn)=c.

(2) Es gibt mindestens eine Folge (xn)n∈N mit (a)–(c).

Unterschied zur Konvergenz auf Folie 2:
In (b) fordern wir nun xn<a anstatt xn≠a.

#Definition Rechtsseitiger Grenzwert

Sei f:D→R eine Funktion (D⊆R) und sei a∈R∪{−∞,+∞}. Wir sagen, f hat für x gegen a den rechtsseitigen Grenzwert c∈R∪{−∞,+∞}, in Zeichen

limx↘af(x)=coderlimx→a+f(x)>=c,

falls gilt:

  1. Für jede Folge (xn)n∈N mit
    (a) xn∈D,
    (b) xn>a,
    (c) limn→∞xn=a,
    ist limn→∞f(xn)=c.

  2. Es gibt mindestens eine Folge (xn)n∈N mit (a)–(c).

Unterschied zur Konvergenz auf Folie 2:
In (b) fordern wir nun xn>a anstatt xn≠a.

Stetigkeit

#Definition Stetigkeit

Sei f:D→R, D⊆R eine Funktion.

  1. f heißt stetig in a∈D, falls gilt:
limx→af(x)=f(a).(∗)

Dies bedeutet, dass für jede Folge (xn)n∈N⊆D mit xn≠a und limn→∞xn=a gilt

limn→∞f(xn)=f(a)=f(limn→∞xn),

d. h., „f vertauscht mit Limesbildung“.

Gleichung (∗) beinhaltet zwei Bedingungen:
(i) Der Grenzwert existiert.
(ii) Dieser Grenzwert ist gleich f(a).

  1. f heißt stetig auf D, falls f in allen a∈D stetig ist.

Graphische Interpretation

Rechnen mit stetigen Funktionen

Rechenregeln für stetige Funktionen

  1. Sind f,g:D→R stetig, so sind f+g, f−g, αf für α∈R und fg in D stetig.
  2. Sind f,g:D→R stetig, so ist f/g in D∖{x∣g(x)=0} stetig, also überall dort wo f/g gebildet werden kann.
  3. Sind f:D→R, g:E→R stetig und g(E)⊆D, so ist auch die Komposition f∘g:E→R, x↦f(g(x)) in E stetig.

Stetige Fortsetzbarkeit

Stetige Fortsetzbarkeit

#Definition Stetige Fortsetzbarkeit

Sei f:I∖{a}→R stetig, wobei I ein Intervall ist und a∈I. Wenn der Grenzwert limx→af(x)=c∈R existiert, so können wir die Funktion

g:I→R,g(x)={f(x),falls x≠ac,falls x=a

definieren, die dann stetig auf ganz I ist.

Diese Funktion setzt f von I∖{a} nach I fort und wird eine stetige Fortsetzung von f genannt. Häufig nennt man g auch wieder f.