Ограниченост функције

Функција f:A→Bf:A \to B је ограничена одоздо на скупу AA, ако постоји број mm такав да је 

f(x)⩾m, x∈A,f\left( x \right) \geqslant m,{\text{ }}x \in A,

а ограничена одозго на скупу AA, ако постоји број MM, такав да важи 

f(x)⩽M, x∈A,f\left( x \right) \leqslant M,{\text{ }}x \in A,

Функција је ограничена на скупу AA, ако је ограничена и одозго и одоздо. 

Функција ff је ограничена одоздо на скупу AA ако постоји број mm такав да је f(x)⩾mf(x) \geqslant m за свако x∈Ax \in A, а ограничена одозго ако постоји MM такво да је f(x)⩽Mf(x) \leqslant M. Ограничена је ако важи и једно и друго, односно ако постоји KK за које је ∣f(x)∣⩽K|f(x)| \leqslant K. Тада цео график лежи у појасу између правих y=my = m и y=My = M.

На пример, sin⁡x\sin x је ограничена бројевима −1-1 и 11, а x2x^2 само одоздо. Граница не мора да се достигне: 2x2^x је одоздо ограничена нулом, а никад није једнака нули. Ограниченост зависи и од скупа: 1x\frac{1}{x} на (0,1)(0, 1) није ограничена одозго, а на [1,∞)[1, \infty) јесте.

246820406080t (h)TmMTP
15°C
70°C
2 h
T(t₀)
49,77°C
M − T(t₀)
20,23°C
Крива почиње на доњој граници mm и прилази правој y=My = M, али је никад не додирне: разлика M−T(t0)M - T(t_0) остаје позитивна. Цео график лежи у појасу између две праве.

Ограниченост гарантује да модел остаје у реалним границама: температура воде у бојлеру не прелази подешену, а возило са граничником брзине не вози брже од задате брзине.

Вода у бојлеру

Вода у бојлеру загрева се од почетних 15∘C15^\circ\mathrm{C}, а њена температура после tt сати приближно је T(t)=70−55e−0,5tT(t) = 70 - 55e^{-0{,}5t} степени Целзијуса. Покажите да је функција TT ограничена на [0,∞)[0, \infty) и одредите јој границе. Колика је температура после 2 сата?

Решење

  1. За t⩾0t \geqslant 0 је 0<e−0,5t⩽10 < e^{-0{,}5t} \leqslant 1: експоненцијална функција је увек позитивна, а за t=0t = 0 је e0=1e^0 = 1.
  2. Множењем са −55-55 и додавањем 70 добијамо 15⩽T(t)<7015 \leqslant T(t) < 70.
  3. Дакле, TT је ограничена одоздо са m=15m = 15 и одозго са M=70M = 70. Доња граница се достиже за t=0t = 0, а горња никад.
  4. T(2)=70−55e−1≈70−20,23=49,77T(2) = 70 - 55e^{-1} \approx 70 - 20{,}23 = 49{,}77.

Одговор: Температура воде је увек између 15∘C15^\circ\mathrm{C} и 70∘C70^\circ\mathrm{C}, а после 2 сата износи око 49,8∘C49{,}8^\circ\mathrm{C}.

Задатак за вежбу

Да ли је функција f(x)=4x2+1f(x) = \frac{4}{x^2 + 1} ограничена на R\mathbb{R}? Ако јесте, одредите границе и проверите да ли се достижу.

Прикажи решење

Пошто је x2+1⩾1x^2 + 1 \geqslant 1, важи 0<4x2+1⩽40 < \frac{4}{x^2 + 1} \leqslant 4. Функција је ограничена: m=0m = 0 се не достиже, а M=4M = 4 се достиже у x=0x = 0.