בחשבון אינפיניטסימלי, כללי ה**אריתמטיקה של גבולות** (לעיתים בר"ת: **אש"ג**) הם חוקים בסיסיים העוסקים בגבולות של פונקציות המתקבלות מביצוע פעולות אריתמטיות בין פונקציות (ממשיות או מרוכבות) נתונות.

אריתמטיקה של גבולות סופיים
--------------------------

תהיינה f\,ו-g\, פונקציות המוגדרות בסביבה (נקובה או לא) של \,x\_{0} שעבורן קיימים הגבולות הסופיים \lim \_{{x\rightarrow x\_{0}}}f(x) ו-\lim \_{{x\rightarrow x\_{0}}}g(x).

בתנאים אלו מתקיימים הכללים הבאים:

### כלל הסכום

הגבול של סכום פונקציות, שווה לסכום הגבולות של הפונקציות, כלומר:


|  |
| --- |
| \lim \_{{x\rightarrow x\_{0}}}(f+g)(x)=\lim \_{{x\rightarrow x\_{0}}}f(x)+\lim \_{{x\rightarrow x\_{0}}}g(x) |

### כלל המכפלה

הגבול של מכפלת פונקציות, שווה למכפלת הגבולות של הפונקציות, כלומר:


|  |
| --- |
| \lim \_{{x\rightarrow x\_{0}}}f(x)\cdot g(x)=\lim \_{{x\rightarrow x\_{0}}}f(x)\cdot \lim \_{{x\rightarrow x\_{0}}}g(x) |

אם נבחר בפונקציה \ g(x)=\alpha , קבוע, יתקבל המקרה הפרטי {\displaystyle \lim \_{x\rightarrow x\_{0}}\alpha \cdot f(x)=\alpha \lim \_{x\rightarrow x\_{0}}f(x)}. בפרט {\displaystyle \lim \_{x\rightarrow x\_{0}}(-f(x))=-\lim \_{x\rightarrow x\_{0}}f(x)} ומכאן נובע "כלל ההפרש", המקביל בצורתו לכלל הסכום, ועוסק בגבול של הפרש פונקציות.

### כלל המנה

הגבול של מנת פונקציות, שווה למנת הגבולות של הפונקציות בתנאי ש: \lim \_{{x\rightarrow x\_{0}}}g(x)\neq 0, כלומר:


|  |
| --- |
| \lim \_{{x\rightarrow x\_{0}}}\left({{\frac {f}{g}}}\right)(x)={\frac {\lim \_{{x\rightarrow x\_{0}}}f(x)}{\lim \_{{x\rightarrow x\_{0}}}g(x)}} |

כללי האריתמטיקה לגבולות סופיים תקפים גם כאשר \,x\rightarrow \pm \infty .

אריתמטיקה של גבולות אינסופיים
-----------------------------

תהיינה f\,ו-g\, פונקציות המוגדרות בסביבה (נקובה או לא) של \,x\_{0} שעבורן מתקיים:

* \lim \_{{x\rightarrow x\_{0}}}f(x)=+\infty .
* \lim \_{{x\rightarrow x\_{0}}}g(x)=L, כאשר L\in {\mathbb {R}} (כלומר מספר סופי).

בתנאים אלו מתקיימים כללי האריתמטיקה לגבולות אינסופיים שלהלן:

* \lim \_{{x\rightarrow x\_{0}}}(f+g)(x)=+\infty .
* \lim \_{{x\rightarrow x\_{0}}}(g-f)(x)=-\infty .
* \lim \_{{x\rightarrow x\_{0}}}({\frac {g}{f}})(x)=0.

כאשר \,L>0 מתקיים:
* \lim \_{{x\rightarrow x\_{0}}}(f\cdot g)(x)=+\infty .

וכאשר \,L<0 מתקיים:
* \lim \_{{x\rightarrow x\_{0}}}(f\cdot g)(x)=-\infty .

כאשר \,L=0 לא ניתן לדעת באופן מיידי את ערכו של הגבול \lim \_{{x\rightarrow x\_{0}}}(f\cdot g)(x) מכיוון שגבול זה אינו מוגדר היטב, שכן הוא מהצורה של "0\cdot \infty "ולכן במקרה זה לא ניתן לדעת דבר על הגבול או על קיומו. יש לחפש דרכים אחרות לחישוב הגבול, ביניהן כלל לופיטל.

כללי האריתמטיקה לגבולות האינסופיים תקפים גם כאשר \,x\rightarrow \pm \infty .

תהי f\, פונקציה המוגדרת בסביבה (נקובה או לא) של \,x\_{0} שעבורה מתקיים:

* \lim \_{{x\rightarrow x\_{0}}}f(x)=0.
* קיימת סביבה מנוקבת של \,x\_{0} בה מתקיים f(x)>0\,.

בתנאים אלו מתקיים:

* \lim \_{{x\rightarrow x\_{0}}}({\frac {1}{f}})(x)=+\infty .

**הערה:** המשפט אנלוגי לגמרי עבור המקרה בו קיימת סביבה נקובה של \,x\_{0} בה מתקיים f(x)<0\, ובמקרה הזה הגבול הוא -\infty .

תהיינה f\,ו-g\, פונקציות המוגדרות בסביבה (נקובה או לא) של \,x\_{0} שעבורן מתקיים:

* \lim \_{{x\rightarrow x\_{0}}}f(x)=+\infty .
* \lim \_{{x\rightarrow x\_{0}}}g(x)=+\infty .

בתנאים אלו מתקיים :

* \lim \_{{x\rightarrow x\_{0}}}(f\cdot g)(x)=+\infty .

גם כלל זה תקף כאשר \,x\rightarrow \pm \infty .

גבול של הרכבת פונקציות
----------------------

אם f\,ו-g\, פונקציות שעבורן \lim \_{{x\rightarrow x\_{0}}}f(x)=y\_{0} וכן גם \lim \_{{y\rightarrow y\_{0}}}g(y)=L (עבור x\_{0},y\_{0},L כלשהם), 

ומתקיים לפחות אחד משני התנאים הבאים (1) L=g(y\_{0}) (כלומר g(y) רציפה ב y\_{0}) (2) {\displaystyle f(x)\neq y\_{0}} בסביבה מנוקבת של x\_0

אז הגבול של הרכבת הפונקציות g\circ f בנק' x\_0 קיים ושווה ל- {\displaystyle \lim \_{x\rightarrow x\_{0}}(g\circ f)(x)=\lim \_{x\rightarrow x\_{0}}g(f(x))=L} .

הוכחות
------

### הוכחת כלל הסכום

נסמן ב-\,A וב-\,B את הגבולות של \,f ושל \,g בהתאמה. 
יהי \varepsilon >0. יש להוכיח כי קיים \ \delta >0\, כך שלכל 
x\, המקיים |x-x\_{0}|<\delta \, מתקיים 
|(f\pm g)(x)-(A\pm B)|<\varepsilon \,.

מהנתונים על הגבולות של f\,ו-g\, נסיק כי:

* קיים \delta \_{1}>0\, כך שלכל x\, המקיים |x-x\_{0}|<\delta \_{1}\, מתקיים |f(x)-A|<{\frac {\varepsilon }{2}}\, (1).
* קיים \delta \_{2}>0\, כך שלכל x\, המקיים |x-x\_{0}|<\delta \_{2}\, מתקיים |g(x)-B|<{\frac {\varepsilon }{2}}\, (2).

נבחר את \delta \, להיות \delta =\min\{\delta \_{1},\delta \_{2}\}\,. לפי אי-שוויון המשולש: 

|(f\pm g)(x)-(A\pm B)|=|f(x)\pm g(x)-A\mp B|\leq |f(x)-A|+|g(x)-B|. 

מכאן ש- |(f(x)\pm g(x))-(A\pm B)|\leq |f(x)-A|+|g(x)-B|<{\frac {\varepsilon }{2}}+{\frac {\varepsilon }{2}}=\varepsilon. 

### הוכחת כלל המכפלה

יהי \varepsilon >0. יש להוכיח כי קיים \delta >0\, כך שלכל x\, המקיים 0<|x-x\_{0}|<\delta \, מתקיים |(f\cdot g)(x)-(A\cdot B)|<\varepsilon \,. נגדיר 
\,\varepsilon \_{1}=\min \left\{1,{\frac {\varepsilon }{1+|A|+|B|}}\right\}.

מהנתונים על הגבולות של f\,ו-g\, נסיק כי:

* קיים \delta \_{1}>0\, כך שלכל x\, המקיים 0<|x-x\_{0}|<\delta \_{1}\, מתקיים |f(x)-A|<\varepsilon \_{1}
* קיים \delta \_{2}>0\, כך שלכל x\, המקיים 0<|x-x\_{0}|<\delta \_{2}\, מתקיים |g(x)-B|<\varepsilon \_{1}

נבחר את \delta \, להיות \delta =\min\{\delta \_{1},\delta \_{2}\}\,. יהי x\, המקיים 0<|x-x\_{0}|<\delta \,. נקבל, על-פי אי-שוויון המשולש, כי:

\,|f(x)g(x)-AB|=|(f(x)-A)(g(x)-B)+(f(x)-A)B+A(g(x)-B)|
\,\leq |f(x)-A|\cdot |g(x)-B|+|f(x)-A|\cdot |B|+|A|\cdot |g(x)-B|
\,<\varepsilon \_{1}\cdot \varepsilon \_{1}+\varepsilon \_{1}\cdot |B|+|A|\cdot \varepsilon \_{1}\leq \varepsilon \_{1}+\varepsilon \_{1}\cdot |B|+|A|\cdot \varepsilon \_{1}
{\displaystyle \,=\varepsilon \_{1}(1+|A|+|B|)\leq \varepsilon }

כלומר, הראינו שאם x\, מקיים 0<|x-x\_{0}|<\delta \, אזי |f(x)g(x)-AB|<\varepsilon , ומכאן נובע כלל המכפלה.

### הוכחת כלל ההרכבה

נוכיח במקרה בו g\, רציפה.

יהי \varepsilon >0\,. נתון ש-g רציפה בנקודה {\displaystyle y\_{0}\,}, לכן קיים \delta \_{1}>0\, כך שלכל y המקיים {\displaystyle |y-y\_{0}|<\delta \_{1}\,} (כולל y\_{0}) מתקיים {\displaystyle |g(y)-L|<\varepsilon }
(1).

\lim \_{{x\rightarrow x\_{0}}}f(x)=y\_{0} ולכן קיים \delta \_{2}>0\, כך שלכל x\, המקיים 0<|x-x\_{0}|<\delta \_{2}\, מתקיים {\displaystyle |f(x)-y\_{0}|<\delta \_{1}\,}
(2).

מ-(2) נסיק כי לכל x\, המקיים 0<|x-x\_{0}|<\delta \_{2}\, מתקיים {\displaystyle |f(x)-y\_{0}|<\delta \_{1}\,} ולכן עבור {\displaystyle \,y=f(x)} נקבל מ-(1) כי {\displaystyle |g(f(x))-L|<\varepsilon }, כנדרש.

במקרה השני, אנחנו ניאלץ לדרוש ש-{\displaystyle 0<|y-y\_{0}|}, ולכן נבחר {\displaystyle |x-x\_{0}|} קטן מספיק (כפי שחייב להיות לפי התנאי השני), שעבורו {\displaystyle 0<|f(x)-y\_{0}|} כפי שרצינו.

  

  


| חשבון אינפיניטסימלי |
| --- |
| מושגי יסוד | חשבון אינפיניטסימלי • סדרה • סדרה מתכנסת • גבול • סדרת קושי • טור • אינפיניטסימל • שדה המספרים הממשיים • ערך מוחלט • אי-שוויון המשולש • אי-שוויון קושי-שוורץ |
| פונקציות | פונקציה • גרף פונקציה • פונקציה ליניארית • פונקציה מונוטונית • נקודת קיצון •נקודת פיתול •נקודת אוכף • פונקציה קעורה • פונקציה קמורה • פונקציה רציפה • פונקציה רציפה במידה שווה • נקודת אי רציפות • נגזרת • טור טיילור • סדרת פונקציות • התכנסות נקודתית • התכנסות במידה שווה |
| משפטים | משפט בולצאנו-ויירשטראס • משפטי ויירשטראס • משפט קנטור • משפט ערך הביניים • משפט פרמה • משפט רול • משפט הערך הממוצע של לגראנז' • משפט הערך הממוצע של קושי • משפט דארבו • כלל השרשרת • כלל הסנדוויץ' • כלל לופיטל • משפט שטולץ • אריתמטיקה של גבולות |
| האינטגרל | אינטגרל • אינטגרל לא אמיתי • אינטגרל רב-ממדי • המשפט היסודי של החשבון הדיפרנציאלי והאינטגרלי • אינטגרציה בחלקים • שיטות אינטגרציה |
| אנליזה מתקדמת | פונקציה מרוכבת • אנליזה וקטורית • שיטת ניוטון-רפסון • משוואה דיפרנציאלית • טופולוגיה • תורת המידה |
| אנליזה מתמטית • אנליזה וקטורית • טופולוגיה • אנליזה מרוכבת • אנליזה פונקציונלית • תורת המידה |