▷ 函数的可微性(理论和已解决的练习)

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▷ 函数的可微性(理论和已解决的练习)

2024-05-04 20:01| 来源: 网络整理| 查看: 265

在本文中,您将学习如何研究函数的可微性,即函数是否可微。此外,我们还将看到函数的可微性和连续性之间的关系。最后,我们将研究分段函数的可微性。

函数的可微性和连续性

函数在一点的连续性和可导性关系如下:

如果函数在一点可微,则该函数在该点连续。 如果函数在一点不连续,那么它在该点也是不可微的。

然而,该定理的逆命题是错误的:仅仅因为函数在一点连续,并不意味着它在该点总是可微的。

您还可以查看函数在某个点与其图形表示是否可微:

如果是平滑点,则函数在该点可微。 如果是角点,则函数在该点连续但不可微。

x=0 处的平滑点:此阶段的连续且可微的函数。

x=2 处的角点:函数在此阶段连续但不可微。

分段函数的可微性

一旦我们知道了函数的连续性和可微性之间的关系,我们就会了解如何研究分段定义函数的可微性。

您可以通过计算该点的横向导数来判断分段函数在该点是否可微:

如果某点的侧导数不相等,则函数在该点不可微:

f'(x_o^-) \neq f'(x_o^+) \ \longrightarrow

不可扣除

x_o

如果某点的侧导数重合,则函数在该点可微:

f'(x_o^-) = f'(x_o^+) \ \longrightarrow

是的,它可微分于

x_o

注意:对于在一点可微的函数,该函数必须在该点连续。因此,在计算侧导数之前,我们需要保证函数在该点连续。如果您不知道如何研究某一点的连续性,您可以在以下链接中了解它是如何完成的:

➤请参见: 函数在一点的连续性

现在让我们看一个示例,了解如何计算在某一点分段定义的函数的导数:

研究以下在点 x=2 处分段定义的函数的连续性和可微性:

\displaystyle f(x)= \left\{ \begin{array}{lcl} 3x^2-6x & \text{si} & x2 \\[2ex] 6\ln (x-1) & \text{si} & x\geq 2 \end{array} \right.

两部分的函数在各自的区间内连续,但需要看函数在临界点x=2处是否连续。为此,我们求解函数在该点的横向极限:

\lim\limits_{x\to 2^-} f(x) = \lim\limits_{x\to 2^-} \bigl(3x^2-6x\bigr) = 3\cdot2^2-6\cdot2=12-12=\bm{0}

\lim\limits_{x\to 2^+} f(x) = \lim\limits_{x\to 2^+} 6\ln (x-1) = 6\ln (2-1)=6 \ln 1=6 \cdot 0= \bm{0}

临界点处的横向极限给了我们相同的结果,因此函数在 x=2 点处连续。

一旦我们知道函数在 x=2 处连续,我们将研究函数在该点的可微性。为此,我们计算分段定义的函数的侧导数:

\displaystyle f'(x)= \left\{ \begin{array}{lcl} 6x-6 & \text{si} & x2 \\[2ex] \cfrac{6}{x-1} & \text{si} & x\geq 2 \end{array} \right.

我们现在评估临界点处的每个侧导数:

f'(2^-)=6\cdot2-6=12-6 = \bm{6}

f'(2^+)=\cfrac{6}{2-1} = \cfrac{6}{1} = \bm{6}

两个横向导数给出了相同的结果,因此函数在 x=2 处可微,导数值为 6:

f'(2^-) = f'(2^+) = 6 \ \longrightarrow \ \bm{f'(2) = 6}

另一方面,如果横向导数给了我们不同的结果,则意味着该函数在 x=2 处不可微。换句话说,此时导数将不存在。

最后,请记住,此过程对于研究绝对值函数的可微性也有效,因为绝对值函数也可以分段定义。您可以在此处了解如何将绝对值函数转换为块:

➤请参阅: 如何分段定义具有绝对值的函数

解决了函数可微性的练习 练习1

研究以下分段函数的连续性和可导性:

\displaystyle f(x)= \left\{ \begin{array}{lcl} x^3-4x^2 + 5 & \text{si} & x1 \\[2ex] -x^2+3x & \text{si} & x\geq 1 \end{array} \right.

查看解决方案

两部分的函数是连续的,但我们必须看函数在临界点x=1处是否连续。为此,我们求解函数在该点的横向极限:

\lim\limits_{x\to 1^-} f(x) = \lim\limits_{x\to 1^-} \bigl(x^3-4x^2 + 5\bigr)=1^3-4\cdot 1^2 + 5=2

\lim\limits_{x\to 1^+} f(x) = \lim\limits_{x\to 1^+} \bigl( -x^2+3x \bigr)=-1^2+3\cdot 1=2

临界点处的两个横向极限给出相同的结果,因此该函数在 x=1 处连续。

一旦我们知道函数在临界点连续,我们就会研究它在同一点是否可微。因此我们计算横向导数:

\displaystyle f'(x)= \left\{ \begin{array}{lcl} 3x^2-8x & \text{si} & x1 \\[2ex] -2x+3 & \text{si} & x\geq 1 \end{array} \right.

我们评估 x=1 处的两个侧导数;

f'(1^-)=3\cdot1^2-8\cdot 1=3-8=-5

f'(1^+)=-2\cdot 1+3=-2+3 =1

侧导数在 x=1 点处不重合,因此函数在该点不可微。

f'(1^-) \neq f'(1^+) \ \longrightarrow \ \cancel{\exists} \ f'(1)

练习2

分析各节中定义的以下函数的可微性和连续性:

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