高等数学第4章第1节连续性概念
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第四章 函数的连续性
● 引言
在数学分析中,要研究种种不同性质的函数,其中有一类重要的函数,就是连续函数.从今天开始,我们就来看看这类函数的特点.主要讲以下几个问题:
1.什么是“函数的连续性”?
2.“间断”或“不连续”有哪些情形?
3.连续函数有哪些性质?
4.初等函数的连续性有何特点?
§1 连续性概念
● 引言
“连续”与“间断”(不连续)照字面上来讲,是不难理解的.例如下图1中的函数()y f x =,我们说它是连续的,而图2中的函数在0x 处是间断的.
由此可见,所谓“连续函数”,从几何上表现为它的图象是坐标平面上一条连绵不断的曲线.而所谓“不连续函数”从几何上表现为它的图象在某些点处“断开”了.
当然,我们不能满足于这种直观的认识,因为单从图形上看是不行的,图形只能帮助我们更形象地理解概念,而不能揭示概念的本质属性.
例如,可以举出这样的例子,它在每点都连续但却无法用图形表示出来(如Rieman 函数). 因此,为了给出“连续”的定义,需要对此作进一步分析和研究.
从图2看出,在0x 处,函数值有一个跳跃,当自变量从1x 左侧的近傍变到1x 右侧的近旁时,对应的函数值发生了显著的变化.而在其它点处(如1x 处),情况则完全相反.:当自变量从1x 向左侧或向右侧作微小改变时,对应的函数值也只作微小的改变;这就是说,当自变量x 靠近1x 时,函数值就靠近1()f x ,而当1x x →时,1()()f x f x →.换句话说,当1x x →时,()f x 以1()f x 为极限,即1
1lim ()()x x f x f x →=. 根据这一分析,引入下面的定义:
一 函数在一点的连续性
1. 函数f 在点0x 连续的定义
定义1(f 在点0x 连续)设函数f 在某0()U x 内有定义,若0
0lim ()()x x f x f x →=,则称f 在点0x 连续. 注 00
0lim ()()(lim )x x x x f x f x f x →→==,即“f 在点0x 连续”意味着“极限运算与对应法则f 可交换. 2.例子
例1.0,sin ,cos x R x x ∀∈在0x 处连续.
例2.2
lim(21)5(2)x x f →+==.
例3.讨论函数1sin ,0()0
,0x x f x x x ⎧≠⎪=⎨⎪=⎩在点x=0处连续性. 3.函数f 在点0x 连续的等价定义
1) 记号:0x x x ∆=-——自变量x 在点的增量或改变量.设00()y f x =,0000()()()()y f x f x f x x f x y y ∆=-=+∆-=-——函数y 在点0x 的增量.
注:自变量的增量x ∆或函数的增量y ∆可正、可负、也可为零.(区别于“增加”).
2) 等价定义1:函数f 在点0x 连续⇔0
lim 0x y ∆→∆=. 3) 等价定义2:函数f 在点0x 连续⇔0,0εδ∀>∃>,当0||x x δ-<时,0|()()|f x f x ε-<. 注:一个定义是等价的,根据具体的问题选用不同的表述方式.如用三种定义,可以证明以下命题: 例4.证明函数()()f x xD x =在点0x =连续,其中()D x 为Dirichlet 函数.
4.函数f 在点0x 有极限与函数f 在点0x 连续之间的关系
1) 从对邻域的要求看:在讨论极限时,假定f 在00()U x 内不定义(f 在点0x 可以没有定义).而f 在
点0x 连续则要求f 在某0()U x 内有定义(包括0x ).
2) 在极限中,要求00||x x δ<-<,而当“f 在点0x 连续”时,由于x=0x 时,0|()()|f x f x ε-<恒成立.所以换为:0||x x δ-<.
3) 从对极限的要求看:“f 在点0x 连续”不仅要求“f 在点0x 有极限”,而且0
0lim ()()x x f x f x →=;而在讨论0
lim ()x x f x →时,不要求它等于0()f x ,甚至于0()f x 可以不存在. 总的来讲,函数在点0x 连续的要求是:①()f x 在点0x 有定义;②0
lim ()x x f x →存在;③00lim ()()x x f x f x →=. 任何一条不满足,f 在点0x 就不连续.同时,由定义可知,函数在某点是可连续,是函
数在这点的局部性质.
5.f 在点0x 左(右)连续定义
① 定义2:设函数f 在点0()U x +(0()U x -内有定义),若00lim ()()x x f x f x +→=(0
0lim ()()x x f x f x -→=),则称f 在点0x 右(左)连续.
② f 在点0x 连续的等价刻划
定理4.1 函数f 在点0x 连续⇔f 在点0x 既是右连续,又是左连续.
如上例4:00lim ()lim 0(0)x x xD x x f ++→→===(右连续),00
lim ()lim 0(0)x x xD x x f --→→===(左连续). 例5.讨论函数2,0()2,0x x f x x x +≥⎧=⎨-<⎩
在点0x =的连续性. 二 区间上的连续函数
1.定义
若函数f 在区间I上每一点都连续,则称f 为I上的连续函数.对于闭区间或半开半闭区间的端点,函数在这些点上连续是指左连续或右连续.若函数f 在区间[,]a b 上仅有有限个第一类间断点,则称f 在
[,]a b 上分段连续.
2.例子
(1)函数,,sin ,cos y C y x y x y x ====是R上的连续函数;(2)函数y =在(1,1)-内每一点都连续.在1x =处为左连续,在1x =-处为右连续,因而它在[1,1]-上连续.
命题:初等函数在其定义区间上为连续函数.
函数[]y x =,sgn y x =在[1,1]-上是分段连续的[]y x =在R上是分段连续吗? sgn x 在R上是分段连续吗?
三 间断点及其分类
1.不连续点(间断点)定义
定义3 设函数f 在某00()U x 内有定义,若f 在点0x 无定义,或f 在点0x 有定义而不2,不则称
点0x 为函数f 的间断点或不连续点.
注 这个定义不好;还不如说:设f 在00()U x 内不定义,如果()f x 在0x 不连续,则称0x 是()
f x 的不连续点(或间断点).由上述分析可见,若0x 为函数f 的间断点,则必出现下列情形之一:①()f x 在点0x 无定义;②0lim ()x x f x →不存在;③0
0lim ()()x x f x f x →≠.据此,对函数的间断点作如下分类: 2.间断点分类
1) 可去间断点 若0
lim ()x x f x A →=,而f 在点0x 无定义,或有定义但0()f x A ≠,则称0x 为f 的可去间断点.
例如:0x =是函数sin ()|sgn |,()x f x x g x x
==的可去间断点. “可去间断点”名称何来?通过一定的手段,可以“去掉”.设0x 是()f x 的可去间断点,且