background image

Math 4606. Fall 2006.

Solutions to Homework 3

Section 1.3.

Problem 1c. Let

f (x, y) =

x

4

y

4

(x

2

+ y

4

)

3

, for (x, y) 6= (0, 0).

Show that lim

(x,y)→(0,0)

f (x, y) does not exist.

Solution. This problem was solved in class. Briefly,

f (0, y) = 0, for all y 6= 0.

For c ∈ R, y 6= 0,

f (cy

2

, y) =

c

4

y

12

y

12

(c

2

+ 1)

3

=

c

4

(c

2

+ 1)

3

.

Take, for example, c = 1 we have

lim

y→0

f (0, y) 6= lim

y→0

f (y

2

, y),

while lim

y→0

(0, y) = (0, 0) = lim

y→0

(y

2

, y).

Problem 2. Show that lim

(x,y)→(0,0)

f (x, y) = 0.

a.

f (x, y) =

x

2

y

2

x

2

+ y

2

.

Solution. For (x, y) 6= (0, 0), we have

0 ≤ f (x, y) = x

2

y

2

x

2

+ y

2

≤ x

2

y

2

+ x

2

x

2

+ y

2

= x

2

.

Since lim

(x,y)→(0,0)

x

2

= 0, then by the squeezing property we obtain

lim

(x,y)→(0,0)

f (x, y) = 0.

b.

f (x, y) =

3x

5

− xy

4

x

4

+ y

4

.

Solution. For (x, y) 6= (0, 0), we use the triangle inequality:

0 ≤ |f (x, y)| =

|3x

5

− xy

4

|

x

4

+ y

4

3|x|x

4

x

4

+ y

4

+

|x|y

4

x

4

+ y

4

≤ 3|x| + |x| = 4|x|.

Since lim

(x,y)→(0,0)

4|x| = 0, then by the squeezing property we obtain

lim

(x,y)→(0,0)

|f (x, y)| = 0. Therefore lim

(x,y)→(0,0)

f (x, y) = 0.


background image

2

Problem 6. Let

f (x) =

x

if x is rational

0

if x is irrational.

a. Show that f is continuous at 0.

Solution. Note that f (0) = 0. Let ε > 0 be arbitrary. Take δ = ε.

Let x ∈ R such that |x| < δ.

If x is rational then |f (x) − f (0)| = |x − 0| = |x| < δ = ε.

If x is irrational then |f (x) − f (0)| = 0 < ε.

In both cases, we have |f (x)−f (0)| < ε whenever |x| < δ. Therefore,

f is continuous at 0.

b. Show that f is discontinuous at any point a 6= 0.

Solution. Let a 6= 0.

Case 1: a is rational, then f (a) = a. Take ε

0

= |a| > 0. Let δ > 0

be arbitrary. Choose x

δ

to be an irrational number in the interval

(a − δ, a + δ), then we have |x

δ

− a| < δ and

|f (x

δ

) − f (a)| = |0 − a| = |a| ≥ ε

0

.

Therefore f is not continuous at a.

Case 2: a is irrational, then f (a) = 0. Take ε

0

= |a|/2 > 0. Let

δ > 0 be arbitrary. Choose x

δ

to be a rational number in the interval

(a − δ, a + δ) ∩ (a − ε

0

, a + ε

0

), then we have |x

δ

− a| < δ. Also,

|x

δ

− a| < ε

0

, we obtain

|f (x

δ

) − f (a)| = |x

δ

| ≥ |a| − |x

δ

− a| ≥ |a| − ε

0

= |a|/2 = ε

0

.

Therefore f is not continuous at a.

Problem 7. Let f (x) = 1/q if x = p/q, where p, q are integers having

no common factors, q > 0, and f (x) = 0 if x is irrational.

a. Show that f is discontinuous at rational numbers.

Solution. Let a = p/q be a rational number where p, q are as above.

Let ε

0

= 1/q > 0. Let δ > 0 be arbitrary. Choose x

δ

to be an irrational

number in the interval (a − δ, a + δ) then we have |x

δ

− a| < δ and

|f (x

δ

) − f (a)| = |0 −

1

q

| =

1

q

= ε

0

.

Therefore f is discontinuous at a.


background image

3

b. Show that f is continuous at irrational numbers.

Solution. Let a be an irrational number, then f (a) = 0. We need to

show that f is continuous at a. Note that for any irrational number

x, we have |f (x) − f (a)| = 0 which is less than any positive number ε.

Therefore it suffices to show that

(1)

∀ε > 0, ∃δ > 0, ∀x = p/q ∈ Q, |x − a| < δ =⇒ |1/q| < ε,

where p, q are integers having no common factors and q > 0. We will

prove (1) by contradiction method. Suppose (1) is not true, then the

negation of (1) holds:

(2)

∃ε

0

> 0, ∀δ > 0, ∃x

δ

= p

δ

/q

δ

∈ Q, |x

δ

− a| < δ and |1/q

δ

| ≥ ε

0

.

For k ∈ N, take δ = 1/k in (2), then there is x

k

= p

k

/q

k

∈ Q such

that

(3)

|x

k

− a| < 1/k and |q

k

| ≤ 1/ε

0

.

By (3) and triangle inequality,

|p

k

|/|q

k

| = |x

k

| ≤ |a| + |x

k

− a| ≤ |a| + (1/k) ≤ |a| + 1.

This and (3) yield |p

k

| ≤ (|a| + 1)|q

k

| ≤ (|a| + 1)/ε

0

. Therefore, the

integers p

k

and q

k

are bounded, hence each set

A = {p

k

, k ∈ N},

B = {q

k

, k ∈ N}

has only finitely many elements. Consequently, the set S = {p/q, p ∈

A, q ∈ B} has only finitely many elements. Note that x

k

∈ S for all k

and S ⊂ Q. Since a is irrational, a 6∈ S. For each x ∈ S, |a − x| > 0.
Since S is finite, then d = min{|a − x| : x ∈ S} > 0. Therefore, for any

k, |x

k

− a| ≥ d, this contradicts the fact that |x

k

− a| ≤ 1/k → 0 as

k → ∞. Thus, we must have (1). The proof is complete.




رفعت المحاضرة من قبل: Cruz Maldanado
المشاهدات: لقد قام عضو واحد فقط و 36 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل