二、5.概念辨析:點x0處或點x0鄰域內極限存在、連續、可導、n階可導以及連續可導等高數詞語的意義及聯系

1.點 x_{0} 和其去心鄰域 mathring U(x_{0}) 、鄰域 U(x_{0}) 的關系(僅在“高數”范圍內,想瞭解更具體的可以看數學分析)

x_{0} 這個概念其實沒什麼好解釋的,就是自變量 x 與數軸上某個常數 c 對應,比如 x=1x=0 ,此時我們用 x_{0} 來泛指這些常數 c ,表示這是一個已經確定的量 x_{0} ,而不是一個變量 x

這裡要註意的就是0^{+} 或者 0^{-} 這種不能當作 x_{0} ,因為標準分析的實數概念裡沒有無窮小的位置,因此這裡隻能把0^{+} 或者 0^{-}的“0 ”作為x_{0}。之前有個知友就是不清楚這一點,導致混淆瞭 x_{0}=0 處右導數 f_{+}^{'}(0) 和導函數右極限 f'(0^{+}) 這兩個概念,把0^{+}當作定點代入到導數定義中去瞭。f'(0^{+})完整的表示應該是這樣的 lim_{x rightarrow 0^{+}}f'({x)} ,因此表示的是導函數的右極限,而不是右導數,至於這兩者的區別,詳見我另一篇文章,這裡就不再細說瞭

鄰域這個概念用幾何去表示會比較直觀,但理解上可能會有誤區。通常來講,鄰域 U(x_{0}) 是一個開區間 (x_{0}-delta,x_{0}+delta) , delta 稱為鄰域半徑,且 delta>0 ,也就是說 U(x_{0}) 必須包含除 x_{0} 之外的點,但是!!!我們一般會說存在某個鄰域,也就是說我們使用這個概念的時候會默認 delta 趨於無窮小,因此,鄰域這個概念表達的概念應該是 x_{0} 附近的一個“很小很小很小”的“局部”區域,小到我們甚至會覺得(實際上不是)就僅僅包含這個點 x_{0}

為什麼呢?因為隻要你指出某個異於 x_{0} 的點 x_{1} ,它們就是兩個實數,不管你把它們的距離設置到多近,此時都可以找到一個 delta ,比如 delta=|frac{x_{0}-x_{1}}{2}| ,使得 x_{0} 的鄰域內不包括點 x_{1}

但正因為如此,我們很容易會陷入一個誤區,那就是把孤立點 x_{0} 的性質推廣到其鄰域這個區域的性質上來,這裡必須強調的是:點 x_{0}的性質一般不能推到鄰域!!!比如點連續、點可導都不能推到鄰域連續、鄰域可導,反例下文會給出

瞭解鄰域這個概念之後,去心鄰域就很簡單瞭,就是把鄰域的中心 x_{0} 挖去,形成左鄰域 (x_{0}-delta,x_{0}) 和右鄰域 (x_{0},x_{0}+delta) 的並集—— x_{0} 的去心鄰域 mathring U(x_{0})=(x_{0}-delta,x_{0})cup(x_{0},x_{0}+delta)

2. f(x)x_{0} 有定義以及在 mathring U(x_{0})U(x_{0}) 有定義

x_{0}有定義就是說當 x= x_{0} 時,存在 f(x_{0}) ,聽上去好像是廢話,但不是如此,因為定義是具有任意性的!比如 f(x)=frac{1}{x}x=x_{0}=0 時是沒有定義的對吧,但此時我完全可以在 x_{0}=0 處補充定義 f(x_{0})=0 ,形成一個R上的分段函數。可能你會覺得這樣沒有意義,對這個函數來說確實沒什麼意義,因為就算補充瞭這個定義,這函數在這一點也是不連續的,沒什麼實際效果呀,但如果是下面這個例子呢?

begin{eqnarray} f(x) = begin{cases} x^{2}*sin(frac{1}{x}) & xne0 / 0 & x=0/ end{cases} end{eqnarray}

如果不補充 f(0)=0 ,在x_{0}=0是不連續的,自然沒有導數,但如果補充瞭這個定義,在整個R上就都有導數,也就是在整個R上為可導函數

x=0的導數:f'(0)=lim_{x rightarrow 0}{frac{f(x)-f(0)}{x-0}}=lim_{x rightarrow 0}{frac{f(x)}{x}}=lim_{x rightarrow 0}{frac{x^{2}*sin(frac{1}{x})}{x}}= lim_{x rightarrow 0}x*sin(frac{1}{x})=0

x≠0的導數:

f'(x)=2x*sin(frac{1}{x})-cos(frac{1}{x})

另外從導數來看,begin{eqnarray} f'(x) = begin{cases} 2x*sin(frac{1}{x})-cos(frac{1}{x}) & xne0 / 0 & x=0/ end{cases} end{eqnarray} 中有表達式的那部分,本來在 x_{0}=0 是沒有定義的,因此,在R上不存在原函數

但在補充瞭 f'(0)=0 之後,盡管 f'(x) 存在 x_{0}=0 這個振蕩間斷點,但這時在R上卻存在原函數 f(x) ,這是多麼神奇的一個結果啊,因此不要小看“存在定義”這個概念

類似的,某點處有定義,推廣到去心鄰域內的其他點滿足該條件,那就是該點去心鄰域內有定義,兩者加起來就是該點鄰域內有定義

3. f(x)x_{0} 可導、n階可導與f(x)mathring U(x_{0})U(x_{0}) 可導、n階可導的初步區分

為什麼突然就跳到可導上來瞭?因為我們談到 f(x) 的導數,一般都是指 f(x) 的導函數 f'(x) ,而 f'(x) 就是由每一個點 x_{0} 的導數值 f'(x_{0}) 定義而來的,某點可導即存在導函數在某點有定義,區間可導即導函數在區間內均存在定義。如果不理解,可參考我另一篇文章的“ 一、1.區分“導數”和“導函數” ”部分的詳細解釋,這裡就不多費口舌瞭,另外下文的“導函數”也將不與“導數”進行區分

因此,f(x)x_{0} 可導,就是說 f(x) 的一階導數 f'(x)x_{0}處有定義 f'(x_{0}) ,可以看出這個條件對一階導函數 f'(x) 來說是相當弱的!!!就像f(x)x_{0} 有定義一樣。想想也知道這個條件並不能推出f'(x)x_{0}處連續、可導甚至在mathring U(x_{0})U(x_{0})連續、可導這些強條件瞭

類似的,f(x)x_{0} 處n階可導,指的是:f(x)的n階導數 f^{(n)}(x)x_{0}處有定義 f^{(n)}(x_{0}),同樣也說明不瞭f(x)mathring U(x_{0})U(x_{0})n階可導

經典反例:大致思路就是讓 f(x)=x^{2}*sin(frac{1}{x}) 這樣的函數在x→0的過程中不斷出現,構造出來的函數大概是這樣子的, f(x)=x^4(x-frac{1}{k})^2(x-frac{1}{k+1})^2cos(frac{1}{x-frac{1}{k}})xin(frac{1}{k+1},frac{1}{k}) ,端點和0處都取f(x)=0,詳見下面回答

4.f(x)x_{0}極限存在蘊含的條件

這篇文章不介紹詳細定義,因此這裡要說的僅僅是:在同濟高數的定義裡,f(x)x_{0}極限存在,除瞭表示該點處左、右極限存在且相等這種都清楚的條件之外,還有一個容易被忽視的條件,那就是——f(x)x_{0}的去心鄰域mathring U(x_{0})內均有定義!!!滿足這個條件後才考慮極限是否存在

例如, lim_{x rightarrow 0}{frac{sin(x*sin(frac{1}{x}))}{x*sin(frac{1}{x})}} ,由於在x_{0}=0 附近,總是存在 x=frac{1}{npi} ,使得分母 x*sin(frac{1}{x})=frac{1}{npi}*sin(npi)=0 對原式無意義,也就是說 x=frac{1}{npi} 這一系列無定義點,是無論怎麼縮小鄰域半徑都無法排除的,導致對x_{0}=0,無法達成極限定義的條件——f(x)x_{0}的去心鄰域mathring U(x_{0})內均有定義,因此該極限不存在

類似的,某點處極限存在,推廣到去心鄰域內的其他點滿足該條件,那就是該點去心鄰域內極限存在,兩者加起來就是該點鄰域內極限存在

5.f(x)x_{0} 連續蘊含的條件

連續的定義: lim_{x rightarrow x_{0}}{f(x)}=f(x_{0}) , 由前文可知,這裡蘊含瞭兩個條件:

(1)f(x)x_{0} 有定義;(2)f(x)x_{0}的去心鄰域mathring U(x_{0})內均有定義

合起來就是:f(x)x_{0}的鄰域U(x_{0})內均有定義(前文說到某點處n階可導,可以理解為n階導函數在該點處有定義,結合“某點的可導必連續”,就可以得到後文的一個結論,讀者在這裡可以先思考一下)

類似的,某點處連續,推廣到該點去心鄰域內的其他點滿足該條件,那就是該點去心鄰域內連續,兩者加起來就是該點鄰域內連續

但要註意,某點連續並不能推出該點去心鄰域內連續,反例是由狄利克雷函數D(x)構造出來的函數 f(x)=x*D(x) ,因為該函數在 x_{0}=0 處有 f(0)=0,lim_{x rightarrow 0}{f(x)}=0 (有界乘無窮小極限為0),因此在 x_{0}=0 這一點是連續的,但其他點都是不連續的,因此在 x_{0}=0 的去心鄰域內並不連續

6.f(x)x_{0} 可導蘊含——f(x)x_{0} 連續(這就是“可導必連續”)

這部分應該不用講瞭吧,可以見我之前的回答

類似的,某點處可導,推廣到該點去心鄰域內的其他點滿足該條件,那就是該點去心鄰域內可導,兩者加起來就是該點鄰域內可導

但要註意,某點可導並不能推出該點去心鄰域內可導,反例請搜索處處連續但處處不可導的“魏爾斯特拉斯函數”W(x),然後對其進行改造就有 f(x)=x*W(x) ,由復合函數的連續性可知:該函數在 x_{0}=0 處連續,且 f(0)=0 ,而由於W(x)連續,所以 lim_{x rightarrow 0} W(x) 存在,不妨設 lim_{x rightarrow 0} W(x)=A

因此,f'(0)=lim_{x rightarrow 0}{frac{f(x)-f(0)}{x-0}}=lim_{x rightarrow 0}{frac{f(x)}{x}}=lim_{x rightarrow 0} W(x)=A ,即 f(x) 在0處可導,而其他點由於W(x)的特點,都是不可導的

由此可見,某點可導推不出鄰域內連續,隻有鄰域可導才能對應地推出鄰域內連續

7.f(x)x_{0} n階可導的深入理解

上面已經對n階可導有一個初步的理解,現在從另一個角度來理解n階導數的意義

我們知道n階可導是從可導推廣而來的概念,也就是說 f(x)x_{0} 處n階可導,是站在其n-1階導數 f^{(n-1)}(x) 的角度而言的,即函數 f^{(n-1)}(x)x_{0} 處導數存在,為 f^{(n)}(x_{0}) 。換言之,函數 f^{(n-1)}(x)x_{0} 處可導

由於“可導必連續”,因此 f^{(n-1)}(x)x_{0} 處連續

由前面連續蘊含的條件可知: f^{(n-1)}(x)x_{0} 的鄰域 U(x_{0}) 內均有定義,但要註意鄰域內有定義並不能得出:f^{(n-1)}(x)x_{0} 的鄰域 U(x_{0}) 內連續、可導

不過,此時若將 f^{(n-1)}(x) 視為n-2階導數 f^{(n-2)}(x) 的導數

由前面n階可導的初步理解可知: f^{(n-2)}(x)x_{0} 的鄰域 U(x_{0}) 內均可導

由此往前推,可以得出:在n-2階之前的所有導數,包括原函數f(x)均滿足鄰域內可導、連續

也就是說:從“點 x_{0} n階可導”這個點可導、點連續的性質,要推出 x_{0} 鄰域內可導,再由鄰域內可導得出鄰域內連續,需要降2階!!!即:

n=2

f(x)x_{0}2階可導 (點可導)———→f(x)x_{0}鄰域內可導、連續(鄰域~)(可以當成“0階導數”,雖然沒這個說法)

n≥3

f(x)x_{0}n 階可導 (點可導)

———→f(x) 及其 1 sim(n-2) 階導函數,在 x_{0} 鄰域內可導、連續(鄰域~)

這裡如果還是覺得亂,我提醒一下:務必註意“可導、連續”這些字眼的“主語”,詳見評論

8. f(x) 連續可導=f(x)1階連續可導—— f(x) 可導而且導函數 f'(x) 連續;f(x)n階連續可導——f(x)n階可導而且n階導函數f^{(n)}(x)連續

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