高等数学-函数

高等数学-函数

SunnyDusk Lv3

一.函数、极限与连续

函数


函数三要素:

自变量(x),因变量(y),对应法则;

定义域及值域

自然定义域:
y = x;
y = sinx;sinx;
y = cosx→R(定义域);cosx \to R(定义域);
y = 1x→(−∞,0)∪(0,+∞);\frac{1}{x} \to (-\infty, 0) \cup (0, +\infty);
y = x→[0,+∞);\sqrt {x} \to [0, +\infty);
y=logax→[0,+∞)log_ax \to [0, +\infty)
y=tanx→x∣x≠π2+kπ,k∈Ztan x \to{x|x\neq\frac{\pi}{2}+k\pi,k∈Z}
y=arcsin⁡x→[−1,1]\arcsin x \to [-1,1]
y=arccos⁡x→[−1,1]\arccos x \to [-1,1]

判断两个函数是否为同一个函数
定义域相同(化简前)/运算法则相同(化简后)
二者同时满足<——(充要条件)——>两函数为同一函数
例题:1.判断y1=x2y_1=\sqrt{x^2}和y2=∣x∣y_2=|x|是否为同一个函数。
解:化简前看定义域
D(f1):x2≥0=>x∈Rx^2\geq0=>x∈R
D(f2):x∈Rx∈R
化简后看运算法则
y1=x2={x,x≥0−x,x<0y_1=\sqrt{x^2}=\begin{cases} x,x\geq0\\\\-x,x<0 \end{cases}
y2=∣x∣={x,x≥0−x,x<0y_2=|x|=\begin{cases}x,x\geq0 \\\\-x,x<0\end{cases}
二者同时满足,
是*同一函数
2.下列各组函数中相同的是( D ).
A.f(x)=x+1f(x)=x+1——R,g(x)=x2−1x−1g(x)=\frac{x^2-1}{x-1}——xx
B.f(x)=sin⁡x——R(f)+−都存在,g(x)=1−cos⁡2x2——R(f)f(x)=\sin x——R(f)+-都存在,g(x)=\sqrt{\frac{1-\cos 2x}{2}}—— R(f)
C.f(x)=1xf(x)=\frac{1}{x}——xx,g(x)=1[x]2g(x)=\frac{1}{[\sqrt{x}]^2}
D.f(x)=x+1f(x)=x+1,g(t)=t+1g(t)=t+1

特殊函数

1.分段函数
在定义域内不同区间上用不同解析式表示的函数
2.隐函数

隐函数
隐函数

3.参数方程式函数
参数方程式
参数方程式

4.抽象函数
抽象函数
抽象函数

*4.1求抽象函数的定义域

例题:已知函数y=f(x)y=f(x)的定义域为[-1,1),那么函数y=f(x−2)y=f(x-2)的定义域是 [1,3)
解:∵f(x)\because f(x)的定义域为[-1,1)
∴−1≤x<1\therefore-1\leq x<1
∴−1≤x<1\therefore -1 \leq x<1
即1≤x<31 \leq x<3

例题:已知函数y=f(2x+3)y=f(2x+3)的定义域为(-2,2],那么函数y=f(12x−5)y=f(\frac{1}{2}x-5)的定义域是 (8,24]
解:∵f(x)\because f(x)的定义域为(-2,2]
即−2<x≤2-2<x\leq 2
∴−1<2x+3≤7\therefore-1< 2x+3 \leq7
∴−1<12x−5≤7\therefore -1 < \frac{1}{2}x-5\leq7
即8<x≤248 < x\leq24
4.2求抽象函数的表达式
例题:已知函数f(x)=x2+2xf(x)=x^2+2x,那么函数f(x2+1)f(\frac{x}{2}+1)的表达式是 f(x2+1)=x24+2x+3f(\frac{x}{2}+1)=\frac{x^2}{4}+2x+3
使用
直接代入法
解:∵f(x)=x2+2x\because f(x)=x^2+2x
当x=t时,有
f(t)=t2+2tf(t)=t^2+2t
∴f(x2+1)=(x2+1)2+2(x2+1)\therefore f(\frac{x}{2}+1)=(\frac{x}{2}+1)^2+2(\frac{x}{2}+1)
∴f(x2+1)=x24+2x+3\therefore f(\frac{x}{2}+1)=\frac{x^2}{4}+2x+3
例题:已知函数f(x2+1)=x2+2xf(\frac{x}{2}+1)=x^2+2x,那么函数f(x)f(x)的表达式是 f(x)=4x2−4xf(x)=4x^2-4x
使用
换元法*
解:令x2+1=t\frac{x}{2}+1=t
有x=2t−2x=2t-2
∴f(t)=(2t−2)2+2(t−2)\therefore f(t)=(2t-2)^2+2(t-2)
∴f(t)=4t2−4t\therefore f(t)=4t^2-4t
即f(x)=4x2−4xf(x)=4x^2-4x
例题:已知函数f(x2+1)=x2+2xf(\frac{x}{2}+1)=x^2+2x,那么函数f(2x−1)f(2x-1)的表达式是 f(2x−1)=16x2−16x+8f(2x-1)=16x^2-16x+8
解:令x2+1=t\frac{x}{2}+1=t
有x=2t−2x=2t-2
∴f(t)=(2t−2)2+2(t−2)\therefore f(t)=(2t-2)^2+2(t-2)
∴f(t)=4t2−4t\therefore f(t)=4t^2-4t
即f(x)=4x2−4xf(x)=4x^2-4x
∴f(2x−1)=4(2x−1)2−4(2x−1)\therefore f(2x-1)=4(2x-1)^2-4(2x-1)
即f(2x−1)=16x2−16x+8f(2x-1)=16x^2-16x+8


函数的基本特性

有界性

函数在f(x)f(x)的定义域内恒≥某数K1K_1,则称在定义域内有下界,K1K_1称为函数f(x)f(x)的定义域内的一个下界。
函数在f(x)f(x)的定义域内恒≤某数K2K_2,则称在定义域内有上界,K2K_2称为函数f(x)f(x)的定义域内的一个上界。
如果上界下界同时存在,则称函数f(x)f(x)在定义域内有界,有∣f(x)∣≤M(M>0)|f(x)|\leq M(M>0),称M为函数f(x)f(x)的一个界。
求自然定义域(值域)有界无界
y=x2y=x^2——>[0,+∞)[0,+\infty) 有下无上(×)
y=sin⁡x→[−1,1]y=\sin x \to [-1,1](√)
y=cos⁡x→[−1,1]y=\cos x \to [-1,1](√)
y=tan⁡x→(−∞,+∞)y=\tan x \to (-\infty,+\infty)(×)

单调性

设函数f(x)f(x)在区间(a,b)内有定义,对于任意x1,x2∈(a,b)x_1,x_2∈(a,b)时:
如果恒有f(x1)f(x_1)<f(x2)f(x_2),则称函数f(x)f(x)在(a,b)内单调增加;
如果恒有f(x1)f(x_1)>f(x2)f(x_2),则称函数f(x)f(x)在(a,b)内单调减少;

单增单减
单增单减

例题:论证函数y=x1−xy=\frac{x}{1-x}在指定区间(−∞,1)(-\infty,1)上的单调性。
解:在(−∞,1)(-\infty,1)上∀\forallx1,x2x_1,x_2x1<x2x_1<x_2
f(x1)−f(x2)=x11−x1−x21−x2f(x_1)-f(x_2)=\frac{x_1}{1-x_1}-\frac{x_2}{1-x_2}
即f(x1)−f(x2)=x1−x2(1−x1)(1−x2)f(x_1)-f(x_2)=\frac{x_1-x_2}{(1-x_1)(1-x_2)}
∵\because函数在指定区间(−∞,1)(-\infty,1)上
∴\therefore(1−x1)(1−x2)>0(1-x_1)(1-x_2)>0且x1−x2<0x_1-x_2<0
∴\thereforef(x1)−f(x2)<0f(x_1)-f(x_2)<0
∴f(x1)<f(x2)\therefore f(x_1)<f(x_2)
∵f(x1)\because f(x_1)恒<f(x2)<f(x_2)
∴\therefore函数在区间(−∞,1)(-\infty,1)单调增加

奇偶性

设函数y=f(x)y=f(x)的定义域D关于原点对称,对于任一x∈Dx∈D:
如果恒有f(−x)=f(x)f(-x)=f(x),则称函数f(x)f(x)为偶函数;
如果恒有f(−x)=−f(x)f(-x)=-f(x),则称函数f(x)f(x)为奇函数;
偶函数关于yy轴对称,奇函数关于原点对称。
总结:奇函数+奇函数=奇函数
偶函数+偶函数=偶函数
奇函数+偶函数=非奇非偶函数
奇函数×\times奇函数=偶函数
偶函数×\times偶函数=偶函数
奇函数×\times偶函数=奇函数

规律:

1.如果一个函数是奇函数或者偶函数,首先应该满足的条件是其定义域关于原点对称,如果定义域关于原点不对称,那么该函数肯定既不是奇函数也不是偶函数
2.如果一个奇函数在x=0x=0处有定义,那么f(0)=0f(0)=0

周期性

设函数y=f(x)y=f(x)的定义域为D,若存在一个正数T>0T>0,使得对于任意x∈Dx∈D有x±T∈Dx\pm T∈D,且f(x±T)=f(x)f(x\pm T)=f(x) 恒成立,则称f(x)f(x)为周期函数。
其中T称为f(x)f(x)的周期,周期函数的周期通常是指它的最小正周期。

函数 图像表达式 周期 最小正周期
y=sin⁡xy=\sin x
sinx
sinx
2kπ,k∈z2k\pi,k∈z 2π2\pi
y=∣cos⁡x∣y=|\cos x|
cosx
cosx
kπ,k∈zk\pi,k∈z π\pi
常值函数y=cy=c
常值函数
常值函数
任何正有理数 不存在
狄利克雷函数 y={1,x∈Q0,x∈Qcy=\begin{cases} 1, x∈Q \\\\0,x∈Q^c\end{cases} 任何正有理数 不存在

反函数与复合函数

把原函数y=f(x)y=f(x)的自变量和因变量对调,定义域和值域对调,运算法则逆转,就得到了它的反函数x=f−(y)x=f^-(y)
例如:y=2x,x∈(0,1)y=2x,x∈(0,1)——反函数——>x=12y,y∈(0,2)x=\frac{1}{2}y,y∈(0,2)—可写为—>y=12x,x∈(0,2)y=\frac{1}{2}x,x∈(0,2)
注意:只有在连续定义域内单调的函数才有反函数,否则没有!
例如:y=x2y=x^2和 y=sinxy=sinx在x∈Rx∈R范围内没有反函数!

反函数的性质

反函数和原函数的图像关于直线y=xy=x对称。

反函数和原函数单调性相同。



反函数和原函数的奇偶性相同。(奇函数的反函数还是奇函数,非奇非偶函数的反函数还是非奇非偶函数,偶函数不存在反函数)

复合函数

自变量xx——u=g(x)u=g(x)——>中间变量uu——y=f(u)y=f(u)——>因变量yy
由函数y=f(u)y=f(u)及u=g(x)u=g(x)构成的函数y=f[g(x)]y=f[g(x)]称为复合函数。
注意:

  1. 注意复合的先后次序,y=f[g(x)]y=f[g(x)]和y=g[f(x)]y=g[f(x)]是两个不同的函数;
  2. 内层函数u=g(x)u=g(x)的值域一定要在外层函数y=f(u)y=f(u)的定义域内。

    基本初等函数(五类)

    幂函数、指数函数、对数函数、三角函数、反三角函数通称基本初等函数。
    幂函数:y=xμy=x^\mu(μ∈R\mu∈R是常数)
    定义域和值域随μ\mu而异,但其在(0,+∞0,+\infty)上总有意义,且图像总经过点(1,1)。
    指数函数:y=axy=a^x(a>0,a≠1a>0,a\ne1)
    特别当a=ea=e时,有y=exy=e^x(e≈2.718e\approx2.718)(考点).
    对数函数:y=logaxy=log_ax(a>0,a≠1a>0,a\ne1)
    特别当a=ea=e时,有y=lnxy=lnx.(考点)
    三角函数



    反三角函数

极限

数列

数列的概念

一列有规律的数,对每个n∈N+n\in N_+,对应着一个确定的实数,这样的一个序列叫数列。简记xn{x_n}
数列一定是有无穷多项

数列极限的概念

对于数列xn{x_n},∀ ε>0\forall \varepsilon>0,总是∃\exists正整数NN,当n>Nn>N时,有∣xn−a∣< ε|x_n-a|< \varepsilon,那么就称常数aa是数列xn{x_n} 的极限,或者称数列xn{x_n} 收敛于aa.记为lim⁡n→+∞xn=a\lim_{n\rightarrow+\infty}{x_n}=a

收敛数列->有极限的数列的性质
  1. 收敛数列必有极限,且极限唯一;
  2. 收敛数列一定有界;
  3. 有界数列不一定收敛(例(−1)n)(例{(-1)^n}),单调且有界的数列一定收敛,即单调有界数列必有极限。

夹逼准则 *

对于三个数列yn、xn、zn{y_n}、{x_n}、{z_n},如果满足以下两个条件:
1.从某项起,有yn<xn<zny_n<x_n<z_n
2.lim⁡n→∞yn=a,且lim⁡n→∞zn=a\lim_{n\rightarrow\infty}{y_n}=a,且\lim_{n\rightarrow\infty}{z_n}=a ,
则有:lim⁡n→∞xn=a\lim_{n\rightarrow\infty}{x_n}=a
例题:
求极限:lim⁡n→∞(1n2+1+1n2+2+⋅⋅⋅+1n2+n)\lim_{n\rightarrow\infty}{(\frac{1}{n^2+1}+\frac{1}{n^2+2}+···+\frac{1}{n^2+n})}.
解析:1.夹逼准则一般用于求nn项和形式的数列的极限;
2.对xnx_n适当的放缩,找到yny_n、znz_n是关键;
3.一般方法:分子不变,分母都取最大的那一项即得到yny_n,分母都取最小的那一项即得到znz_n.
解:yn=(1n2+n+1n2+n+⋅⋅⋅+1n2+n)=nn2+n=1n+1y_n=(\frac{1}{n^2+n}+\frac{1}{n^2+n}+···+\frac{1}{n^2+n})=\frac{n}{n^2+n}=\frac{1}{n+1}
zn=(1n2+1+1n2+1+⋅⋅⋅+1n2+1)=nn2+1z_n=(\frac{1}{n^2+1}+\frac{1}{n^2+1}+···+\frac{1}{n^2+1})=\frac{n}{n^2+1}
lim⁡n→∞yn=lim⁡n→∞1n+1=0\lim_{n\rightarrow\infty}y_n=\lim_{n\rightarrow\infty}{\frac{1}{n+1}}=0
lim⁡n→∞zn=lim⁡n→∞nn2+n=0\lim_{n\rightarrow\infty}z_n=\lim_{n\rightarrow\infty}{\frac{n}{n^2+n}}=0

求极限:lim⁡n→∞(1n2+n+1+2n2+n+2+⋅⋅⋅+nn2+n+n)\lim_{n\rightarrow\infty}{(\frac{1}{n^2+n+1}+\frac{2}{n^2+n+2}+···+\frac{n}{n^2+n+n})}.
解:yn=(1n2+n+n+2n2+n+n+⋅⋅⋅+nn2+n+n)=12(n+1)n2+n+n=n2+n2n2+4ny_n=(\frac{1}{n^2+n+n}+\frac{2}{n^2+n+n}+···+\frac{n}{n^2+n+n})=\frac{\frac{1}{2}(n+1)}{n^2+n+n}=\frac{n^2+n}{2n^2+4n}
zn=(1n2+n+1+2n2+n+1+⋅⋅⋅+nn2+n+1)=12n(n2+1)n2+n+1=1+1n2+1n+1nz_n=(\frac{1}{n^2+n+1}+\frac{2}{n^2+n+1}+···+\frac{n}{n^2+n+1})=\frac{\frac{1}{2}n(n^2+1)}{n^2+n+1}=\frac{1+\frac{1}{n}}{2+\frac{1}{n}+\frac{1}{n}}
lim⁡n→∞yn=n2+n2n2+4n=12\lim_{n\rightarrow\infty}{y_n}=\frac{n^2+n}{2n^2+4n}=\frac{1}{2}
lim⁡n→∞zn=1+1n2+1n+1n=12\lim_{n\rightarrow\infty}{z_n}=\frac{1+\frac{1}{n}}{2+\frac{1}{n}+\frac{1}{n}}=\frac{1}{2}

课后练习:
求极限:lim⁡n→∞(1n2+1+1n2+2+⋯+1n2+n)\lim_{n\rightarrow\infty}{(\frac{1}{\sqrt{n^2+1}}+\frac{1}{\sqrt{n^2+2}}+\cdots+\frac{1}{\sqrt{n^2+n}})}
解:yn=(1n2+n+1n2+n+⋯+1n2+n)=nn2+n=11n+1y_n=(\frac{1}{\sqrt{n^2+n}}+\frac{1}{\sqrt{n^2+n}}+\cdots+\frac{1}{\sqrt{n^2+n}})=\frac{n}{\sqrt{n^2+n}}=\frac{1}{\sqrt{\frac{1}{n}+1}}
zn=(1n2+1+1n2+1+⋯+1n2+1)=nn2+1=11n2+1z_n=(\frac{1}{\sqrt{n^2+1}}+\frac{1}{\sqrt{n^2+1}}+\cdots+\frac{1}{\sqrt{n^2+1}})=\frac{n}{\sqrt{n^2+1}}=\frac{1}{\sqrt{\frac{1}{n^2}+1}}
lim⁡n→∞yn=11n+1=1\lim_{n\rightarrow\infty}{y_n}=\frac{1}{\sqrt{\frac{1}{n}+1}}=1
lim⁡n→∞zn=11n2+1=1\lim_{n\rightarrow\infty}{z_n}=\frac{1}{\sqrt{\frac{1}{n^2}+1}}=1
即:极限为1


函数

函数的极限x→∞x\to\infty
设函数f(x)f(x)在∣x∣|x|大于某一正数时有定义,∀ε>0\forall \varepsilon>0,总是∃\exists正数XX,当∣x∣>X|x|>X时,有
∣f(x)−A∣<ε|f(x)-A|<\varepsilon
那么就称常数AA是函数f(x)f(x)当x→∞x\to\infty时的极限,记为
lim⁡n→∞f(x)=A\lim_{n\rightarrow\infty}f(x)=A

对于函数f(x)f(x)在点x0x_0的某去心邻域内有定义∀ε>0\forall \varepsilon >0,总是∃\exists正数δ\delta,当0<∣x−x0∣<δ0<|x-x_0|<\delta时,有
∣f(x)−A∣<ε|f(x)-A|<\varepsilon
那么就称常数AA是函数f(x)f(x)当x→x0x \to x_0时的极限,记为
lim⁡x→x0f(x)=A\lim_{x \to x_0} f(x)=A
函数极限于数列极限的区别和联系:

  1. 数列极限只有n→∞n \to \infty,而函数极限有x→∞x \to \infty和x→x0x \to x_0;
  2. 数列极限可以称为收敛,而函数极限不提收敛的概念;
  3. 函数极限x→∞可分为x→−∞和x→+∞x \to \infty可分为x \to -\infty和x \to +\infty,二者可以不相等;
  4. 函数极限x→x0可分为x→x0−和x→x0+x \to x_0可分为x \to x_0^-和x \to x_0^+,称为左极限和右极限,二者也可以不相等;
  5. 函数极限和数列极限都具有唯一性。

例:f(x)=1xf(x)=\frac{1}{x}
lim⁡x→∞1x=0\lim_{x \to \infty} \frac{1}{x}=0
lim⁡x→01x=∞\lim_{x \to 0} \frac{1}{x}=\infty
例:f(x)=exf(x)=e^x
lim⁡x→∞ex={lim⁡x→+∞ex=+∞lim⁡x→−∞ex=0→\lim_{x \to \infty}{e^x}=\begin{cases} \lim_{x \to +\infty} {e^x}=+\infty\\\\ \lim_{x \to -\infty}{e^x}=0\end{cases}\to不存在
lim⁡x→0ex={lim⁡x→0+ex=1lim⁡x→0−ex=1→1\lim_{x \to 0}{e^x}=\begin{cases} \lim_{x \to 0^+} {e^x}=1\\\\ \lim_{x \to 0^-}{e^x}=1\end{cases}\to1
注意:

  1. lim⁡x→−∞f(x)=lim⁡x→+∞f(x)=A→lim⁡x→∞f(x)=A\lim_{x \to -\infty}{f(x)=\lim_{x \to +\infty}{f(x)=A}}\to\lim_{x \to \infty}{f(x)=A},若有一方不等或者不存在都不行。
  2. lim⁡x→x0−f(x)=lim⁡x→x0+f(x)=A→lim⁡x→x0f(x)=A\lim_{x \to x_0^-}{f(x)=\lim_{x \to x_0^+}{f(x)=A}}\to \lim_{x \to x_0}{f(x)=A},若有一方不等或者不存在都不行,即函数在某点处有极限的条件是左极限和右极限同时存在且相等。

函数极限的四则运算

如果lim⁡f(x)=A,lim⁡g(x)=B\lim{f(x)=A},\lim{g(x)=B},那么:

  1. lim⁡[f(x)±g(x)]=lim⁡f(x)±lim⁡g(x)=A±B\lim{\left [ f(x) \pm g(x) \right ] }=\lim{f(x)} \pm \lim{g(x)}=A \pm B
  2. lim⁡[f(x)⋅g(x)]=lim⁡f(x)⋅lim⁡g(x)=A⋅B\lim{\left [ f(x) \cdot g(x) \right ] }=\lim{f(x)} \cdot \lim{g(x)}=A \cdot B
  3. 若又B≠0,则有lim⁡f(x)g(x)=lim⁡f(x)lim⁡g(x)=ABB \ne 0,则有\lim{\frac{f(x)}{g(x)}}=\frac{\lim{f(x)}}{\lim{g(x)}}=\frac{A}{B}
  4. lim⁡[c⋅f(x)]=c⋅lim⁡f(x)=c⋅A(c为常数)\lim{\left [ c \cdot f(x) \right ] }=c \cdot \lim{f(x)}=c \cdot A(c为常数)
  5. lim⁡[f(x)]n=[lim⁡f(x)]n=An(n是正整数)\lim{\left [ f(x) \right ]^n }=\left [ \lim{f(x)} \right ]^n=A^n(n是正整数) 说明:运算法则对于趋向于x0、x0+、x0−、∞、+∞、−∞x_0、x_0^+、x_0^-、\infty、+\infty、-\infty都适用,但是二者趋向必须一致。
    复合函数极限运算法则
    设函数y=f[g(x)]是由函数y=f(u)与函数u=g(x)y=f \left [ g(x) \right ]是由函数y=f(u)与函数u=g(x)复合而成,若有lim⁡x→x0g(x)=u0,且lim⁡u→u0f(x)=A\lim_{x \to x_0}{g(x)}=u_0,且\lim_{u \to u_0}{f(x)}=A 则有:lim⁡x→x0f[g(x)]=lim⁡u→u0f(x)=A\lim_{x \to x_0}{f \left [ g(x) \right ] }=\lim_{u \to u_0}{f(x)}=A
    因式分解消零因子法求极限*
    例:lim⁡x→3x−3x2−9\lim_{x \to 3}{\frac{x-3}{x^2-9}}
    解:将x→3x \to 3带入 3−39−9=00\frac{3-3}{9-9}=\frac{0}{0} ∵00\because \frac{0}{0}分母为0,即为未定式 ∴lim⁡x→3x−3x2−9=lim⁡x→3x−3(x−3)(x+3)=1x+3=16\therefore \lim_{x \to 3}{\frac{x-3}{x^2-9}}=\lim_{x \to 3}{\frac{x-3}{(x-3)(x+3)}}=\frac{1}{x+3}=\frac{1}{6} 公式
    xn−1=(x−1)(1+x+x2+⋯+xn−1)x^n-1=(x-1)(1+x+x^2+ \cdots +x^{n-1})
    an−bn=(a−b)(an−1+an−2b+⋯+abn−2+bn−1)a^n-b^n=(a-b)(a^{n-1}+a^{n-2}b+ \cdots +ab^{n-2}+b^{n-1})
    结论:当直接代入为00\frac{0}{0}未定式时,化简带入
    根式有理化消零因子法求极限*
    例:求lim⁡x→31−x−2x−3\lim_{x \to 3}{\frac{\sqrt{1-x}-2 }{x-3}}
    解:原式=
    直接带入分母为0未定式; ∴分子分母同乘1−x+2\therefore分子分母同乘\sqrt{1-x}+2 即lim⁡x→3(1−x−2)(1−x+2)(x−3)(1−x+2)\lim_{x \to 3}{\frac{(\sqrt{1-x}-2)(\sqrt{1-x}+2) }{(x-3)(\sqrt{1-x}+2)}} =lim⁡x→31+x−4(x−3)(1−x+2)=\lim_{x \to 3}{\frac{1+x-4}{(x-3)(\sqrt{1-x}+2)}} =lim⁡x→3x−3(x−3)(1−x+2)=\lim_{x \to 3}{\frac{x-3}{(x-3)(\sqrt{1-x}+2)}} =lim⁡x→311−x+2=\lim_{x \to 3}{\frac{1}{\sqrt{1-x}+2}} =14=\frac{1}{4}
    抓大头法求极限*
    例:求lim⁡x→∞2x+1x2+3\lim_{x \to \infty} {\frac{2x+1}{x^2+3}}
    解:原式=
    同除以x2x^2 =lim⁡x→∞2x+1x21+3x2=\lim_{x \to \infty} {\frac{\frac{2}{x}+\frac{1}{x^2}}{1+\frac{3}{x^2} }} =01=\frac{0}{1} =0=0 例:求lim⁡x→∞2x3+xx2+3\lim_{x \to \infty} {\frac{2x^3+x}{x^2+3}}
    解:原式=
    同除以x3x^3 =lim⁡x→∞2+1x21x+3x3=\lim_{x \to \infty} {\frac{2+\frac{1}{x^2}}{\frac{1}{x}+\frac{3}{x^3} }} =2+00+0=\frac{2+0}{0+0} =∞=\infty 结论:当直接带入为∞∞\frac{\infty}{\infty}时,使用抓大头方法,最高次幂在分子上结果为∞\infty,最高次幂在分母上结果为00(上大无穷下大零);分子分母最大次幂相同的话结果为系数比(次数相同系数比)。

课后习题
  1. 求极限lim⁡x→2x2−x−2x2−5x+6\lim_{x \to 2}{\frac{x^2-x-2}{x^2-5x+6}}
    解:原式=
    转换表达式
    即=lim⁡x→2x2−x−2x2−2x−3x+6=\lim_{x \to 2}{\frac{x^2-x-2}{x^2-2x-3x+6}}

    =lim⁡x→2x2+x−2x−2x2−2x−3x+6=\lim_{x \to 2}{\frac{x^2+x-2x-2}{x^2-2x-3x+6}} =lim⁡x→2x(x+1)−2(x+1)x(x−2)−3(x−2)=\lim_{x \to 2}{\frac{x(x+1)-2(x+1)}{x(x-2)-3(x-2)}}

    分子提取公因式(x+1),分母提取公因式(x−2)(x+1),分母提取公因式(x-2)

    =lim⁡x→2(x+1)(x−2)(x−2)(x−3)=\lim_{x \to 2}{\frac{(x+1)(x-2)}{(x-2)(x-3)}} =lim⁡x→2x+1x−3=\lim_{x \to 2}{\frac{x+1}{x-3}} =lim⁡x→23−1=\lim_{x \to 2}{\frac{3}{-1}} =−3=-3
  2. 求极限lim⁡x→1x4−1x5−1\lim_{x \to 1}{\frac{x^4-1}{x^5-1}}
    解:原式=
    1.=lim⁡x→1(x−1)(x3+x2+x+1)(x−1)(x4+x3+x2+x+1)=\lim_{x \to 1} {\frac{(x-1)(x^3+x^2+x+1)}{(x-1)(x^4+x^3+x^2+x+1)} }

    =45=\frac{4}{5}

    2.使用洛必达法则

    =lim⁡x→1ddx(x4−1)ddx(x5−1)=\lim_{x \to 1}{\frac{\frac{\mathrm{d} }{\mathrm{d} x} (x^4-1)}{\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d} x} (x^5-1)}} =lim⁡x→14x35x4=\lim_{x \to 1}{\frac{4x^3}{5x^4}} =lim⁡x→145x=\lim_{x \to 1}{\frac{4}{5x}} =45=\frac{4}{5}
  3. 求极限lim⁡x→3x+2−5x−3\lim_{x \to 3}{\frac{\sqrt{x+2}-\sqrt{5} }{x-3}}
    解:原式=
    分子分母同乘以x+2+5\sqrt{x+2}+\sqrt{5}

    =x+2−5(x−3)(x+2+5)=\frac{x+2-5}{(x-3)(\sqrt{x+2}+\sqrt{5})} =x−3(x−3)(x+2+5)=\frac{x-3}{(x-3)(\sqrt{x+2}+\sqrt{5})} =1x+2+5=\frac{1}{\sqrt{x+2}+\sqrt{5}} =510=\frac{\sqrt{5}}{10}
  4. 求极限lim⁡x→∞x2−x−2x2−5x+6\lim_{x \to \infty}{\frac{x^2-x-2}{x^2-5x+6}}
    解:原式=
    直接使用抓大头,分子分母次幂相同结果为系数比 ∴=1\therefore =1

两个重要极限

第一重要极限
lim⁡x→0sin⁡xx=1\lim_{x \to 0} {\frac{\sin x}{x} }=1

函数夹逼准则:
对于三个函数g(x)、f(x)、h(x)g(x)、f(x)、h(x),如果满足以下两个条件:

  1. g(x)≤f(x)≤h(x)g(x)\le f(x) \le h(x);
  2. lim⁡g(x)=A,且lim⁡h(x)=A\lim{g(x)}=A,且\lim{h(x)}=A; 则有:lim⁡f(x)=A\lim{f(x)}=A 例:lim⁡x→0sin⁡xx2\lim_{x \to 0} {\frac{\sin x}{x^2} }
    解:原式= =lim⁡x→0sin⁡xx×1x=\lim_{x \to 0} {\frac{\sin x}{x} \times \frac{1}{x} } =lim⁡x→0sin⁡xx×lim⁡x→01x=\lim_{x \to 0} {\frac{\sin x}{x} } \times \lim_{x \to 0}{\frac{1}{x}} =1×∞=1 \times \infty =∞=\infty 例:lim⁡x→0tan⁡xx\lim_{x \to 0} {\frac{\tan x}{x} }
    解:原式= =lim⁡x→0sin⁡xx×1cos⁡x=\lim_{x \to 0} {\frac{\sin x}{x} \times \frac{1}{\cos x} } =lim⁡x→0sin⁡xx×lim⁡x→01cos⁡x=\lim_{x \to 0} {\frac{\sin x}{x} } \times \lim_{x \to 0}{\frac{1}{\cos x}} =1×1=1 \times 1 =1=1 例:lim⁡x→0arcsin⁡xx\lim_{x \to 0} {\frac{\arcsin x}{x} }
    解:原式=
    令x=sin⁡tx=\sin t arcsin⁡x=t\arcsin x=t =lim⁡t→0tsin⁡t=\lim_{t \to 0} {\frac{t}{\sin t}} =1=1 结论:00极限趋近于0且含有sin⁡x\frac{0}{0}极限趋近于0且含有\sin x,将原式拆解为第一重要极限和另一个能直接带入求极限的乘积。

第二重要极限
lim⁡x→∞(1+1x)2=e\lim_{x \to \infty} ({1+\frac{1}{x})^2 }=e

例:求极限lim⁡x→0(1+x)1x\lim_{x \to 0} ({1+x)^\frac{1}{x} }
令x=1tx=\frac{1}{t}
=lim⁡t→∞(1+1t)t=\lim_{t \to \infty} ({1+\frac{1}{t})^t }
=e=e
第二重要极限变式:
lim⁡x→0(1+x)1x=e\lim_{x \to 0} ({1+x)^\frac{1}{x} }=e
第二重要极限通式:
lim⁡f(x)→0 g(x)→∞[1+f(x)]g(x)=elim⁡[f(x)⋅g(x)]\lim_{f(x) \to 0 \ g(x) \to \infty }[1+f(x)]^{g(x)}=e^{\lim [f(x)\cdot g(x)]}
例:求极限lim⁡x→0(1−6x)3sin⁡x\lim_{x \to 0} {(1-6x)^{\frac{3}{\sin x} }}
解:原式=
=elim⁡x→0(−6x⋅3sin⁡x)=e^{\lim_{x \to 0} {(-6x\cdot \frac{3}{\sin x}) }}
=elim⁡x→0(−18xsin⁡x)=e^{\lim_{x \to 0} {(\frac{-18x}{\sin x}) }}
∵xsin⁡x=1\because \frac{x}{\sin x}=1
∴=e−18\therefore =e^{-18}
结论:1∞1^\infty使用第二重要极限通式。


无穷小与无穷大

概念
如果lim⁡x→x0∖x→∞f(x)=0,则称函数f(x)为当x→x0或x→∞时无穷小;如果\lim_{x \to x_0\setminus x \to \infty}{f(x)}=0,则称函数f(x)为当x \to x_0或x \to \infty时无穷小; 如果lim⁡x→x0∖x→∞f(x)=∞,则称函数f(x)为当x→x0或x→∞时无穷大;如果\lim_{x \to x_0\setminus x \to \infty}{f(x)}=\infty,则称函数f(x)为当x \to x_0或x \to \infty时无穷大;

无穷小与无穷大都是一个函数,不能与很小的数或者很大的数混为一谈,无穷小是一个趋近于0(可以为0)的过程。

无穷小的性质
  1. 在自变量的同一变化过程x→x0x \to x_0或x→∞x \to \infty中,函数f(x)f(x)具有极限AA的充分必要条件是f(x)=A+αf(x)=A+\alpha,其中α\alpha是无穷小。
  2. 1无穷小=无穷大\frac{1}{无穷小}=无穷大,1无穷大=无穷小\frac{1}{无穷大}=无穷小。
  3. 有限个无穷小的和是无穷小。
  4. 有界函数与无穷小的乘积是无穷小。
    例如:lim⁡x→∞sin⁡xx=lim⁡x→∞sin⁡x⋅lim⁡x→∞1x=0\lim_{x \to \infty}{\frac{\sin x}{x} }= \lim_{x \to \infty} {\sin x}\cdot \lim_{x \to \infty} {\frac{1}{x} } =0
    易错点
    1. lim⁡x→0sin⁡xx=1\lim_{x \to 0} {\frac{\sin x}{x} }=1(第一重要极限)
    2. lim⁡x→∞sin⁡xx=0\lim_{x \to \infty } {\frac{\sin x}{x} }=0(0×有界=0)
    3. lim⁡x→0x⋅sin⁡1x=0\lim_{x \to 0 } {x \cdot \sin \frac{1}{x} }=0(0×有界=0)
    4. lim⁡x→∞x⋅sin⁡1x=1\lim_{x \to \infty } {x \cdot \sin \frac{1}{x} }=1(第一重要极限)
    5. lim⁡x→01x⋅sin⁡1x=无极限\lim_{x \to 0 } {\frac{1}{x} \cdot \sin \frac{1}{x} }=无极限(∞\infty×有界=不确定)
    6. lim⁡x→∞1x⋅sin⁡1x=0\lim_{x \to \infty } {\frac{1}{x} \cdot \sin \frac{1}{x} }=0(0×0=0)
      推论:
  • 常数与无穷小的乘积是无穷小;
  • 有限个无穷小的乘积是无穷小。
    结论:0⋅有界=00 \cdot 有界 = 0
    无穷小的比较
    定义:设α\alpha和β\beta是同一个自变量趋近过程中的无穷小,且β≠0\beta \ne 0,
    lim⁡αβ=0\lim \frac{\alpha }{\beta } =0⇒\Rightarrowα\alpha是β\beta 的高阶无穷小,可记作α=o(β)\alpha=o(\beta );
    lim⁡αβ=∞\lim \frac{\alpha }{\beta } =\infty⇒\Rightarrowα\alpha是β\beta 的低阶无穷小;
    lim⁡αβ=c≠0\lim \frac{\alpha }{\beta } =c \ne 0⇒\Rightarrowα\alpha是β\beta 的同阶无穷小;
    lim⁡αβk=c≠0\lim \frac{\alpha }{\beta ^k} =c \ne 0⇒\Rightarrowα\alpha是β\beta 的kk阶无穷小(k>0)(k>0 );
    lim⁡αβ=1\lim \frac{\alpha }{\beta } =1⇒\Rightarrowα\alpha是β\beta 的等价无穷小,记作α∼β\alpha \sim \beta;
    注意:
  • 一般为分子是分母的~阶无穷小;
  • 越高阶趋近于0的速度越快;
  • c可以是正数可以为负数,k可以是整数也可以是分数。

等价无穷小的性质
  1. 自反性:α∼α\alpha \sim \alpha;
  2. 对称性:若α∼β\alpha \sim \beta,则β∼α\beta \sim \alpha;
  3. 传递性:若α∼β\alpha \sim \beta,β∼γ\beta \sim \gamma,则α∼γ\alpha \sim \gamma;
  4. 可替换性:若α∼γ\alpha \sim \gamma,β∼θ\beta \sim \theta,则lim⁡αβ=lim⁡γθ\lim \frac{\alpha }{\beta } =\lim \frac{\gamma }{\theta}。
    结论:00\frac{0}{0}、∞∞\frac{\infty}{\infty}、0⋅∞0 \cdot \infty类型时使用等价无穷小替换。

常用的等价无穷小替换*

当 x⟶0x\longrightarrow 0时,有:

  1. x∼sin⁡x∼tan⁡x∼arcsin⁡x∼arctan⁡xx\sim \sin x\sim \tan x\sim \arcsin x\sim \arctan x
  2. 1−cos⁡x∼12x21-\cos x\sim \frac{1}{2} x^2
  3. ln(1+x)x∼xln(1+x)x\sim x
  4. ex−1∼xe^x-1 \sim x
  5. (1+x)μ−1∼μ⋅x(1+x)^\mu-1 \sim \mu \cdot x 1+xn−1∼1n⋅x\sqrt[n]{1+x}-1 \sim \frac{1}{n} \cdot x
    提示:可以将上述x替换成任意□\Box
    二倍角公式:cos⁡2α=cos⁡2α− sin2α=2cos⁡2α−1=1−2sin⁡2α\cos 2 \alpha =\cos ^2\alpha - \ sin ^2 \alpha = 2\cos ^2 \alpha -1 = 1-2\sin ^2 \alpha
    利用等价无穷小替换求极限
    例:求极限lim⁡x→0lncos⁡xxtan⁡[sin⁡(sin⁡x)]\lim_{x \to 0} \frac{ln \cos x}{x \tan [\sin (\sin x)]}
    解:原式=lim⁡x→012x2x2=−12\lim_{x \to 0 }{\frac{\frac{1}{2}x^2}{x^2}}=-\frac{1}{2}
    分子:lncos⁡x=ln(cos⁡x−1+1)∼−12x2ln \cos x = ln(\cos x -1 +1) \sim - \frac{1}{2}x^2
    分母:sin⁡x∼x∼tan⁡x=x2\sin x \sim x \sim \tan x =x^2

    总结+习题




    例题1:lim⁡x→∞(sin⁡3x+1)2x\lim_{x \to \infty} (\sin \frac{3}{x} +1)^{2x}
    解:原式=
    利用第二重要极限 =elim⁡x→∞(sin⁡3x⋅2x)=e^{\lim_{x \to \infty} (\sin \frac{3}{x} \cdot 2x)} 利用等价无穷小替换 sin⁡3x∼3x\sin \frac{3}{x} \sim \frac{3}{x} =elim⁡x→∞(3x⋅2x)=e^{\lim_{x \to \infty} (\frac{3}{x} \cdot 2x)} =e6=e^6 例题2:lim⁡x→∞(3x+13x−1)2x+3\lim_{x \to \infty} (\frac{3x+1}{3x-1} )^{2x+3}
    解:原式= 3x+13x−1=3x−1+23x−1=1+23x−1\frac{3x+1}{3x-1}=\frac{3x-1+2}{3x-1}=1+\frac{2}{3x-1} 利用第二重要极限 =elim⁡x→∞[23x−1⋅(2x+3)]=e^{\lim_{x \to \infty} [\frac{2}{3x-1} \cdot (2x+3)]} =elim⁡x→∞(4x+63x−1)=e^{\lim_{x \to \infty} (\frac{4x+6}{3x-1})} 抓大头 =e43=e^{\frac{4}{3}} 例题3:lim⁡x→∞(xsin⁡1x+1xsin⁡x)\lim_{x \to \infty} (x \sin \frac{1}{x}+\frac{1}{x} \sin x )
    解:原式= =lim⁡x→∞x⋅sin⁡1x+lim⁡x→∞1xsin⁡x=\lim_{x \to \infty} x \cdot \sin \frac{1}{x}+\lim_{x \to \infty} \frac{1}{x}\sin x =1+0=1=1+0=1 例题4:设lim⁡x→∞(x−12x2+5+ax+b)=3\lim_{x \to \infty} (\frac{x-1}{2x^2+5}+ax+b )=3,求常数a,b;
    解:原式= =lim⁡x→∞x−12x2+5+lim⁡x→∞ax+lim⁡x→∞b=3=\lim_{x \to \infty} \frac{x-1}{2x^2+5}+\lim_{x \to \infty} ax+\lim_{x \to \infty} b=3 =0+{a≠0⇒∞a=0⇒0+b=3=0+\left\{\begin{matrix}a\ne 0\Rightarrow \infty \\ a=0\Rightarrow 0 \end{matrix}\right.+b=3 ⇒a=0\Rightarrow a=0符合条件 ∴b=3\therefore b=3 例题5:设lim⁡x→∞(2x2+5x−1+ax+b)=3\lim_{x \to \infty} (\frac{2x^2+5}{x-1}+ax+b )=3,求常数a,b;
    解:原式= =lim⁡x→∞2x2+5+ax2−axx−1+b=3=\lim_{x \to \infty} \frac{2x^2+5+ax^2-ax}{x-1}+b=3 使用抓大头方法
    即使分子消掉x2x^2
    即a=−2a=-2 =lim⁡x→∞2x+5x−1+b=3=\lim_{x \to \infty}\frac{2x+5}{x-1}+b=3 使用抓大头方法 =2+b=3=2+b=3 ∴b=1\therefore b=1 例题6:已知lim⁡x→1f(x)\lim_{x \to 1}f(x)存在,且f(x)=2x3+3lim⁡x→1f(x)f(x)=2x^3+3 \lim_{x\to 1}f(x),求f(x)f(x)。
    解:设lim⁡x→1f(x)=A\lim_{x \to 1}f(x)=A
    即lim⁡x→1f(x)=lim⁡x→12x3+3A\lim_{x \to 1}f(x)=\lim_{x\to 1}2x^3+3A ∵lim⁡x→1f(x)=A\because \lim_{x\to 1}f(x)=A ∴A=2+3A\therefore A=2+3A ∴A=−1\therefore A=-1 ∴f(x)=2x3−3\therefore f(x)=2x^3-3 例题7:已知lim⁡x→0ln(1+f(x)x)e2x−1=5\lim_{x \to 0}\frac{ln(1+\frac{f(x)}{x})}{e^{2x}-1}=5,且当x→0x \to 0时,f(x)x\frac{f(x)}{x},求lim⁡x→0f(x)x2\lim_{x \to 0} \frac{f(x)}{x^2}。
    解:原式=
    利用无穷小等价替换 =lim⁡x→0f(x)x2x=\lim_{x\to 0}\frac{\frac{f(x)}{x}}{2x} 即=lim⁡x→0f(x)2x2=\lim_{x\to 0}\frac{f(x)}{2x^2} ∵lim⁡x→0f(x)2x2=5\because \lim_{x\to 0}\frac{f(x)}{2x^2}=5 ∴f(x)∼10x2\therefore f(x)\sim10x^2 ∴lim⁡x→0f(x)x2=10x2x2=10\therefore\lim_{x \to 0} \frac{f(x)}{x^2}=\frac{10x^2}{x^2}=10

连续

函数的连续性

连续的概念

设函数y=f(x)y=f(x)在点x0x_0的某一邻域内有定义,如果lim⁡x→x0f(x)=f(x0)\lim_{x \to x_0}f(x)=f(x_0),那么就称函数f(x)f(x)在点x0x_0连续。
或表述为:如果lim⁡Δx→0Δy=lim⁡Δx→0[f(x0+Δx)−f(x0)]=0\lim_{\Delta x \to 0} \Delta y=\lim_{\Delta x \to 0} [f(x_0+\Delta x)-f(x_0)]=0,那么就称函数f(x)f(x)在点x0x_0连续。
如果在区间上每一点都连续的函数,叫做该区间上的连续函数,或者说函数在该区间上连续。

  1. 左连续的概念:
    如果lim⁡x→x0−f(x)\lim_{x \to x_0^-}f(x)存在且等于f(x0)f(x_0),那么就称函数f(x)f(x)在点x0x_0左连续,其左极限可简记为f(x0−)f(x_0^-).
  2. 右连续的概念:
    如果lim⁡x→x0+f(x)\lim_{x \to x_0^+}f(x)存在且等于f(x0)f(x_0),那么就称函数f(x)f(x)在点x0x_0右连续,其右极限可简记为f(x0+)f(x_0^+).
  3. 函数f(x)f(x)在点x0x_0处连续的充分必要条件为:f(x0−)=f(x0+)=f(x0)f(x_0^-)=f(x_0^+)=f(x_0)

间断点

如果函数f(x)f(x)在点x0x_0处不连续,那么点x0x_0就称为函数f(x)f(x)的间断点。
函数不连续有三种情形:

  1. 在x=x0x=x_0处没有定义;

  2. 虽有定义,但lim⁡x→x0f(x)\lim_{x \to x_0}f(x)不存在 ;

  3. 虽有定义,且lim⁡x→x0f(x)\lim_{x \to x_0}f(x)存在,但lim⁡x→x0f(x)≠f(x0)\lim_{x \to x_0}f(x) \ne f(x_0) ;
    间断点-间断点分类
    如果x0x_0是函数f(x)f(x)的间断点,但左极限f(x0−)f(x_0^-)和右极限f(x0+)f(x_0^+)都存在,那么x0x_0称为函数f(x)f(x)的第一类间断点;
    表示第一类间断点的任何间断点,称为第二类间断点。
  4. 第一类:可去间断点
    如果左极限和右极限都存在,且f(x0−)=f(x0+)f(x_0^-)=f(x_0^+),那么称x0x_0为函数f(x)f(x)的可去间断点。
    例如:函数y=x2−1x−1,x=1y=\frac{x^2-1}{x-1},x=1是可取间断点

    函数y={x,x≠112,x=1,x=1y=\left\{\begin{matrix}x,x\ne 1 \\ \frac{1}{2},x=1 \end{matrix}\right.,x=1是可去间断点
  5. 第一类:跳跃间断点
    如果左极限f(x0−)f(x_0^-)和右极限f(x0+)f(x_0^+)都存在,且f(x0−)≠f(x0+)f(x_0^-)\ne f(x_0^+),那么称x0x_0为函数f(x)f(x)的跳跃间断点。
    例如:函数y={x−1,x<00,x=0x+1,x>0,x=0y=\left\{\begin{matrix}x-1,x<0 \\0,x=0 \\x+1,x>0 \end{matrix}\right.,x=0是跳跃间断点
  6. 第二类:无穷间断点
    如果左极限f(x0−)f(x_0^-)和右极限f(x0+)f(x_0^+)至少有一个不存在,且其中至少有一个是∞\infty,那么称x0x_0为函数f(x)f(x)的无穷间断点。
    例如:函数y=tan⁡x,x=π2y=\tan x,x=\frac{\pi}{2}是该函数的无穷间断点
  7. 第二类:振荡间断点
    如果左极限f(x0−)f(x_0^-)和右极限f(x0+)f(x_0^+)至少有一个不存在,且其中至少有一个是振荡,那么称x0x_0为函数f(x)f(x)的振荡间断点。
    例如:函数y=sin⁡1x,x=0y=\sin \frac{1}{x},x=0是该函数的振荡间断点

    注意:间断点类型与该点的函数值无关

初等函数的连续性
  1. 一切初等函数在其定义区间内都是连续的。
  2. 若两个函数都连续,则它们的和、差、积、商都连续。
  3. 若两个函数都连续,则由它们构成的复合函数也连续。
  4. 若一个函数连续且有反函数,则它的反函数也连续。

闭区间上连续函数的性质
  1. 【有界性与最大值最小值定理】在闭区间上连续的函数在该区间上有界,且一定能取得它的最大值和最小值。
  2. 【零点定理】若函数f(x)f(x)在闭区间[a,b][a,b]上连续,且f(a)f(a)与f(b)f(b)异号(即f(a)⋅f(b)<0f(a)\cdot f(b)<0),则至少存在一点ξ∈(a,b)\xi \in (a,b),使得f(ξ)=0f(\xi)=0
  3. 【介值定理】设函数f(x)f(x)在闭区间[a,b][a,b]上连续,且在这区间的端点取不同的函数值f(a)=Af(a)=A及f(b)=Bf(b)=B,则对于AA与BB之间的任意一个数CC,在开区间(a,b)(a,b)内至少有一点ξ\xi,使得f(ξ)=Cf(\xi)=C。
    连续考点
    判断函数在某点的连续性
    例题:判断函数f(x)={x+12,x<012,x=0ln(1+x)2x,x>0f(x)=\left\{\begin{matrix}x+\frac{1}{2},x<0 \\ \frac{1}{2},x=0 \\ \frac{ln(1+x)}{2x},x>0 \end{matrix}\right.,在点x=0x=0处的连续性
    解:判断f(x)f(x)在点x0x_0处连续的充分必要条件为f(x0−)=f(x0+)=f(x0)f(x_0^-)=f(x_0^+)=f(x_0) f(0−)=lim⁡x→0−x+12=12f(0^-)=\lim_{x \to 0^-}x+\frac{1}{2}=\frac{1}{2} f(0+)=lim⁡x→0+ln(1+x)2x=lim⁡x→0+x2x=12f(0^+)=\lim_{x \to 0^+}\frac{ln(1+x)}{2x}=\lim_{x \to 0^+}\frac{x}{2x}=\frac{1}{2} ∴f(0−)=f(0+)=f(0)=12\therefore f(0^-)=f(0^+)=f(0)=\frac{1}{2}.
    ∴\therefore函数是连续的
已知函数在某点连续求系数

例题:设函数f(x)={xsin⁡1x,x<0a+xx2,x≥0f(x)=\left\{\begin{matrix}x \sin \frac{1}{x},x<0 \\a+xx^2,x\ge 0\end{matrix}\right.在点x=0x=0处连续,则a=a=_0.
解:由f(x0−)=f(x0+)=f(x0)f(x_0^-)=f(x_0^+)=f(x_0)
f(0)=a+02=af(0)=a+0^2=a
f(0−)=lim⁡x→0−x⋅sin⁡1xf(0^-)=\lim_{x \to 0^-}x \cdot \sin \frac{1}{x}
带入0−0^-
sin⁡10−:10−=−∞\sin \frac{1}{0^-}:\frac{1}{0^-}=-\infty
即:有界,
0−⋅有界=00^- \cdot 有界 = 0
∴a=0\therefore a=0
10−=−∞\frac{1}{0^-}=-\infty
10+=+∞\frac{1}{0^+}=+\infty

判断间断点个数

例题:函数f(x)=sin⁡xx+1x−1e1xf(x)=\frac{\sin x}{x}+\frac{1}{x-1}e^{\frac{1}{x} }的间断点个数是( C )
A.0 B.1 C.2 D.3
解题:找出不满足定义域的点即为间断点,一般为使分母为0时xx的取值
解:题中有三个分数,sin⁡xx\frac{\sin x}{x}、1x−1\frac{1}{x-1}、1x\frac{1}{x}
即x≠0x\ne0和x−1≠0x-1\ne0
∴x≠0或x≠1\therefore x\ne0或x\ne1
即个数为2

判断间断点类型

例题:设函数f(x)={cos⁡x+1x,x≠00,x=0f(x)=\left\{\begin{matrix}\frac{\cos x+1}{x},x\ne 0 \\0,x=0\end{matrix}\right.则x=0x=0是其( C )
A.可去间断点 B.跳跃间断点 C.第二类间断点 D.连续点
解题:判断左右极限是否都存在(左极限\右极限分开求)
解:f(0−)=cos⁡xx=1+10−=−∞f(0^-)=\frac{\cos x}{x}=\frac{1+1}{0^-}=-\infty
f(0+)=+∞f(0^+)=+\infty
∴\therefore两个都为无穷,即为无穷间断点(第二类间断点)。

已知间断类型求系数

例题:已知点x=1x=1为函数f(x)=x−ax2−4x+3f(x)=\frac{x-a}{x^2-4x+3}的可去间断点,则a=a=( A ).
A.1 B.2 C.0 D.-1
解题:可去间断点f(x0−)=f(x0+)f(x_0^-)=f(x_0^+)
解:lim⁡x→1x−ax2−4x+3\lim_{x \to 1}\frac{x-a}{x^2-4x+3}
将1带入
□0=A\frac{\Box }{0} =A
即00=A\frac{0}{0}=A
∴x−a=0,即1−a=0,a=1\therefore x-a=0,即1-a=0,a=1

证明方程在某区间内至少有一个实根——零点定理


例题:证明方程x3+3x2=1x^3+3x^2=1在区间(0,1)(0,1)内至少有一个实根。
解:有原式=
x3+3x2−1=0x^3+3x^2-1=0即f(x)=x3+3x2−1f(x)=x^3+3x^2-1
f(x)f(x)在[0,1][0,1]上连续
f(0)=03+3⋅02−1=−1f(0)=0^3+3 \cdot 0^2-1=-1
f(1)=13+3⋅12−1=3f(1)=1^3+3 \cdot 1^2 -1=3
∵f(0)⋅f(1)<0\because f(0)\cdot f(1)<0
∴\therefore根据零点定理
至少有一点ξ∈(0,1)\xi \in (0,1),使得f(ξ)=0f(\xi)=0
即方程x3+3x2=1x^3+3x^2=1在区间(0,1)(0,1)内至少有一个实根。
例题:证明方程ex=3xe^x=3x在区间(0,1)(0,1)内至少有一个实根。
解:有原式=
ex−3x=0e^x-3x=0即f(x)=ex−3xf(x)=e^x-3x
f(x)f(x)在[0,1][0,1]上显然连续
f(0)=e0+3⋅0=1f(0)=e^0+3 \cdot 0=1
f(1)=e−3<0f(1)=e-3<0(e≈2.718e \approx 2.718)
∵f(0)⋅f(1)<0\because f(0)\cdot f(1)<0
∴\therefore根据零点定理
至少有一点ξ∈(0,1)\xi \in (0,1),使得f(ξ)=0f(\xi)=0
即方程ex=3xe^x=3x在区间(0,1)(0,1)内至少有一个实根。


课后习题



  • 标题: 高等数学-函数
  • 作者: SunnyDusk
  • 创建于 : 2023-09-20 06:36:00
  • 更新于 : 2024-09-10 02:06:49
  • 链接: https://www.030706.xyz,https//www.sunnydusk.cn/2023/09/20/math-1/
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