关于函数连续性的讨论

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  [摘要]函数的连续性对微积分学习非常重要,要掌握好函数的连续就要掌握函数连续的定义、连续与间断的关系、以及连续函数的一些结论等,只要掌握了这些,对函数连续性问题的研究就基本能够解决。
  [关键词]函数连续的定义 连续与间断的关系 连续与极限的关系
  在生产实践中,我们经常会遇到连续变化的问题,如河水的连续流动、气压的连续变化等,这些连续变量都各自对应着一个连续函数,在微积分中,函数的连续性也是学习中的一个重点和难点,现从下面几个方面予以讨论。
  一、 连续性的几何直观性
  观察一下函数和,当自变量发生微小变化时,能且仅能引起函数的微小变化,不会出现值跳跃和断裂的情况,如下图(1)、(2)所示,所以这些函数的图形是一条连续不断的曲线,这些函数也是连续函数。而函数如图(3)所示的情况就不同了,在其定义域内是连续的但在处没有定义,故在图(3)上处出现无穷大性间断,函数的图形在处发生断裂,就整个图形来看不是一条连续曲线,函数在处是不连续的。
  二、连续的定义及等价说法
  我们先看连续的定义:
  定义:若函数在点及其某邻域内有定义,存在,并且,则称函数在处连续。
  否则称函数在处不连续或间断。
  分析一下"定义",因为在点及其某邻域内有定义,极限存在并且极限值就等于这点的函数值,即,也就是说当时,若令,
  ,则有时,,即当充分接近时与相差任意小,这就表明函数在处连续,这样我们便得到了关于连续的等价定义。
  定义:若函数在点及其某邻域内有定义,在此点当自变量的改变量时,函数的改变量成立,则称函数在处连续。
  三、 连续的对立面-间断
  函数在一点不连续或间断有两种情况,一种是在此点极
  限不存在,另一种是在此点极限虽然存在,但极限值不等于在此点的函数值或函数在此点无定义。
  第一种情况又分两类,一是极限虽不存在,但左右极限存在,只是两值不相等,则称此点为第一类跳跃间断点。二是左右极限中至少有一个不存在,则称此点为第二类间断点,如函数,在处即为第二类间断点。
  对于那种极限存在但不连续点,此时只需修改或补充函数在这点的值就变为连续的了,称此类间断点为第一类可去间断点,如函数,即在处无定义,只需补充时,则函数在处就连续了。
  四、连续与极限的關系
  我们知道连续与极限有着极为密切的关系。
  1.连续的概念是以极限概念为基础的,离开极限就无法论述连续的定义。
  2.若函数在处连续,则在此点处必存在极限且。但它的逆命题不一定成立,及函数在一点存在极限,但函数在此点不一定连续。例如:,但函数在点时无定义,也不存在,所有不连续。因此函数在点连续和函数在点存在极限是两个完全不同的概念。
  五、怎样讨论函数的连续性
  1.按定义证明函数在某点连续
  例1.试证函数在处连续。
  证:显然在处及其邻域内有定义
  而
  故在处连续
  由例1可以看出按定义证明函数在某点连续的步骤是:
  (1)考察在及其邻域内是否有定义
  (2)求
  (3)计算
  (4)比较和是否相等,若相等则在点处连续
  例2.试证在任意点连续。
  证:的定义域为
  若在任意点给予改变量,则函数的改变量为
  由点的任意性,根据连续的等价定义得证在任意点连续。
  由例2可看出按等价定义证明的步骤是:
  (1)考察在指定点(或闭区间)函数是否有定义
  (2)给以改变量
  (3)求出
  (4)求的值
  (5)若,则函数在指定点(或闭区间)连续。
  类似上述证明,我们可以证得各类初等函数在其定义域内都是连续的,初等函数的这一重要性质,对于简化其极限运算及为方便。
  例3.计算。
  解:是初等函数和的复合函数
  是初等函数
  又在其定义域内
  故
  由于初等函数在其定义域内都是连续的,所以画初等函数在其定义域内的图像时可以用描点法。
  2.怎样找函数的间断点
  例4.试指出函数的间断点。
  解:时,无定义
  是间断点
  在处,当时无限增大,这时在-1与1之间无限次振动,所以在处的右极限不存在。同理可证在处的左极限也不存在。
  是函数的第二类间断点
  例5.试指出函数的间断点。
  解:时,无定义
  是间断点
  在处极限存在但不连续,故是函数的第一类可续间断点。
  由例4、例5可以看出找函数间断点的步骤是:
  (1)首先找出使函数无定义的点(可能是一个,也可能是多个)
  (2)然后求出此点是否存在极限,若存在则此点为第一类的可去间断点,若左右极限存在,但不相等,则此点为第一类的跳跃间断点,若不存在(至少左,右极限中有一个不存在)则此点为第二类间断点
  3.两个连续函数的和、差、积、商其结果仍是连续函数,
  因为经常出现连续函数(有限个)的四则运算,了解这个结果,对进行连续函数的和、差、积、商的微分和积分就十分顺利了。
  六、函数的连续与可微、可积的关系
  因为微积分研究的最重要的课题就是连续函数,由此可见其关系密切之程度。
  1.连续与可微:若函数在点处有导数,则在处必定连续。但它的逆命题不一定成立,即函数虽在某点连续,但不一定有导数。
  例如:函数在点处连续,但不可导
  ,当,,即在点处连续
  但,
  即函数在点的左右导数存在,但不相等,故在处不可导。
  2.连续与可积:在闭区间上的连续函数必定可积。
  以上六点是对函数连续性的讨论,若能融会贯通,那么关于函数连续性问题的研究就基本能够解决。
  参考文献
  [1]马建国主编.数学分析.北京科学出版社
  [2]华东师范大学数学系主编.数学分析(3版).高等教育出版社
  [3] 王刚.数学教学中的应用与创新
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