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【格物致知·代数】5-2-04函数的可导性与连续性的关系『微积分初步』

作者:山嵓发布时间:2024-09-21

【阅前提示】我在原有“数理化自学丛书”系列17册的基础上又添加了1册八五人教甲种本《微积分初步》,原因有二:一则,我是双鱼座,有一定程度的偶双症,但“自学丛书”系列中代数4册、几何5册实在令我刺挠,因此就需要加入一本代数,使两边能够对偶平衡;二则,我认为《微积分初步》这本书对“准大学生”很重要,以我的惨痛教训为例,大一高数第一堂课,我是直接蒙圈,学了个寂寞。另外大学物理的前置条件是必须有基础微积分知识,因此我所读院校的大学物理课是推迟开课;而比较生猛的大学则是直接开课,然后在绪论课中猛灌基础高数(例如田光善舒幼生老师的力学课)。我选择在“自学丛书”17本的基础上添加这本《微积分初步》,就是希望小伙伴升大学前可以看看,不至于像我当年那样被高数打了个措手不及。

第二章导数和微分——一、导数概念 

§2-4函数的可导性与连续性的关系

【01】由导数的定义,可以推出函数在一点处可导与函数在该点处连续的关系:

如果函数 y=f(x) 在点 x₀ 处可导,那么 y=f(x) 在点 x₀ 处连续。

【证明】

【02我们是要根据 %5Cscriptsize%5Clim_%7B%5CDelta%20x%5Cto0%7D%5Cfrac%7Bf(x_%7B0%7D%2B%5CDelta%20x)-f(x_%7B0%7D)%7D%7B%5CDelta%20x%7D%3Df%5E%7B%5Cprime%7D(x_%7B0%7D)

【03来证明 %5Cscriptsize%5Clim_%7Bx%5Cto%20x_%7B0%7D%7Df(x)%3Df(x_%7B0%7D)  。

【04考虑 %5Cscriptsize%5Coperatorname*%7Blim%7D_%7Bx%5Cto%20x_%7B0%7D%7Df(x),令 x=x₀+△x,x→x₀ 相当于 △x→0,于是

%5Cscriptsize%5Cbegin%7Baligned%7D%0A%5Coperatorname*%7Blim%7D_%7Bx%5Cto%20x_%7B0%7D%7Df(x)%26%20%3D%5Clim_%7B%5CDelta%20x%5Cto0%7Df(x_%7B0%7D%2B%5CDelta%20x)%20%5C%5C%0A%26%3D%5Clim_%7B%5CDelta%20z%5Cto0%7D%5Cleft%5Bf(x_%7B0%7D%2B%5CDelta%20x)-f(x_%7B0%7D)%2Bf(x_%7B0%7D)%5Cright%5D%20%5C%5C%0A%26%3D%5Clim_%7B%5CDelta%20x%5Cto0%7D%5Cleft%5B%5Cfrac%7Bf(x_%7B0%7D%2B%5CDelta%20x)-f(x_%7B0%7D)%7D%7B%5CDelta%20x%7D%5Ccdot%5CDelta%20x%2Bf(x_%7B0%7D)%5Cright%5D%20%5C%5C%0A%26%3D%5Clim_%7B%5CDelta%20x%5Cto0%7D%5Cfrac%7Bf(x_%7B0%7D%2B%5CDelta%20x)-f(x_%7B0%7D)%7D%7B%5CDelta%20x%7D%5Ccdot%5CDelta%20x%2Bf(x_%7B0%7D)%20%5C%5C%0A%26%3D%5Clim_%7B%5CDelta%20x%5Cto0%7D%5Cfrac%7Bf(x_%7B0%7D%2B%5CDelta%20x)-f(x_%7B0%7D)%7D%7B%5CDelta%20x%7D%5Ccdot%5Clim_%7B%5CDelta%20x%5Cto0%7D%5CDelta%20x%2Bf(x_%7B0%7D)%20%5C%5C%0A%26%3Df%5E%7B%5Cprime%7D(x_%7B0%7D)%5Ccdot0%2Bf(x_%7B0%7D)%20%5C%5C%0A%26%3Df(x_%7B0%7D).%0A%5Cend%7Baligned%7D

【05但是,如果函数 f(x) 在点 x₀ 连续,f(x) 在该点不一定可导。例如 y=| x | 在点 x=0 连续,但在点 x=0 处不可导。从图形上看,就是曲线 y=f(x) 在点 O(0,0) 处没有切线(图2·3)。

【06*下面我们根据导数的定义证明 y=| x | 在 x=0 处不可导。并从而导出左、右导数的概念。

%5Cscriptsize%5Cbegin%7Baligned%7D%0A%5Cbecause%5C%3B%26%5CDelta%20y%3D%7C%200%2B%5CDelta%20x%20%7C-%7C%200%7C%3D%7C%20%5CDelta%20x%20%7C%3D%5Cleft%5C%7B%5Cbegin%7Bmatrix%7D%7B%5CDelta%20x%2C%20%5Ctext%7B%E5%BD%93%7D%20%5CDelta%20x%3E0%2C%7D%5C%5C%7B-%5CDelta%20x%2C%20%5Ctext%7B%E5%BD%93%7D%20%5CDelta%20x%3C0%2C%7D%5C%5C%5Cend%7Bmatrix%7D%5Cright.%20%5C%5C%0A%5Ctherefore%5C%3B%26%5Coperatorname*%7Blim%7D_%7B%5CDelta%20x%5Cto0%20%2B%7D%5Cfrac%7B%5CDelta%20y%7D%7B%5CDelta%20x%7D%3D%5Coperatorname*%7Blim%7D_%7B%5CDelta%20x%5Cto0%20%2B%7D%5Cfrac%7B%5CDelta%20x%7D%7B%5CDelta%20x%7D%3D1%2C%20%5C%5C%0A%26%5Clim_%7B%5CDelta%20x%5Cto0%20-%7D%5Cfrac%7B%5CDelta%20y%7D%7B%5CDelta%20x%7D%3D%5Clim_%7B%5CDelta%20x%5Cto0%20-%7D%5Cfrac%7B-%20%5CDelta%20x%7D%7B%5CDelta%20x%7D%3D-1.%0A%5Cend%7Baligned%7D

【07也就是说,当 △x→0 时,△y/△x 的左,右极限不相等,所以 △y/△x 当 △x→0 时极限不存在。因此,函数 y=| x | 在点 x=0 处不可导。

【08一般地,设已知函数 y=f(x),△y=f(x₀+△x)一f(x₀),如果 △y/△x 的左极限存在,就把左极限 %5Cscriptsize%5Clim_%7B%5CDelta%20x%5Cto0%5E-%7D%5Cfrac%7B%5CDelta%20y%7D%7B%5CDelta%20x%7D 叫做 f(x) 在点 x₀ 处的左导数;如果 △y/△x 的右极限存在,就把右极限%5Cscriptsize%5Clim_%7B%5CDelta%20x%5Cto0%5E%2B%7D%5Cfrac%7B%5CDelta%20y%7D%7B%5CDelta%20x%7D 叫做 f(x) 在点 x₀ 处的右导数

【09根据左、右极限存在且相等是极限存在的充要条件,可得左、右导数存在且相等是导数存在的充要条件。

【10如果函数 y=f(x) 在开区间 (a,b) 内可导,在左端点 x=a 处存在右导数,在右端点 x=b 处存在左导数,我们就说函数 f(x) 在闭区间 [a,b] 上可导。

*练习

先从函数的图象观察,然后根据定义判断函数 y=³√x² 在点 x=0 处是否连续,在点 x=0 处是否可导。

习题四

1、巳知作直线运动的某一物体的运动方程为 s=5t²/2(米),当 t=2 秒,△t 分别为 0.1秒、0.01秒、0.001秒、0.0001秒、0.00001秒 时,求从 t₀ 到 t₀+△t 这段时间内的平均速度及 t=2 秒时的瞬时速度。

2、已知质点按规律 s=2t²+4t (米) 作直线运动,求:

(1) 质点在运动开始后前 3 秒内的平均速度;

(2) 质点在 2 秒到 3 秒内的平均速度;

(3) 质点在 3 秒时的瞬时速度。

3、求下列函数在指定点处的导数:

(1) y=(x-2)²,点 x=2;

(2) y=1/(x-1),点 x=0  。

4、说明函数 y=f(x) 在点 x₀ 处的导数也可定义为

%5Cscriptsize%20f%5E%7B%5Cprime%7D%5Cleft(x_%7B0%7D%5Cright)%3D%5Clim_%7Bx%5Cto%20x_%7B0%7D%7D%5Cfrac%7Bf(x)-f(x_%7B0%7D)%7D%7Bx-x_%7B0%7D%7D  。

5、求下列函数的导数:

(1) y=ax+b;

(2) y=1/x;

(3) y=1/x²;

(4) y=1/√x  。

6、已知 f(x)=1/(1-x),求 f'(x),f'(0),f'(2)  。

7、已知 y=√(a²-x²),求证 y'=-x/√(a²-x²)  。

8、设质点 M 沿 x 轴作变速直线运动,在时刻 t(秒),质点 M 所在位置为 x=t²-5t+6(米)。求从 1 秒到 3 秒这段时间内质点 M 的平均速度,质点 M 在什么时刻的速度等于这段时间内的平均速度?

9、求曲线 y=2x-x³ 在点 (-1,-1) 处的切线的倾斜角。

10、求抛物线 y=x²/4 在点 (-2,1) 及点 (2,1) 处的切线方程和法线方程。

11、从时刻 t=0 开始的 t 秒内,通过某导体的电量(单位:库仑)可由公式 q=2t²+3t 表示。求第 5 秒时的电流强度及第 7 秒时的电流强度(即通过的电量 q 对时间 t 的导数 qt'),什么时刻电流强度达到 43 安培(即库仑/秒)。


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