数学基础回顾

本文深入探讨了数学中的核心概念——极限、连续性和导数,详细解释了这些概念的基本定义、性质和相互关系。从极限的存在条件到连续性的判断标准,再到导数的几何意义和求导法则,本文提供了全面的解析。

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  1. 一个圆周的长度是 2πr2\pi r2πr, 总共 360360360 度。我们把长度为半径 rrr 的圆周对应的角度称为 111 rad, 这样一个圆周就有 2π2\pi2π rad. 比如 sin⁡x\sin xsinx 函数就是把角度(rad)的正弦值按照rad展开得到的曲线.

  2. 极限。一个函数在某点的极限存在 等价于 函数在该点的左极限和右极限均存在且相等,即 lim⁡x→a−f(x)=lim⁡x→a+f(x)=L\lim_{x\rightarrow a^-} f(x)=\lim_{x\rightarrow a^+} f(x)=Llimxaf(x)=limxa+f(x)=L。 显然 f(x)1/xf(x)1/xf(x)1/xx→0x\rightarrow 0x0 处极限不存在。
    注意

    – 最终得到的LLL 一定是与xxx无关的。
    L=±∞L=\pm\inftyL=± 也是可以的,比如 f(x)=1/x2f(x)=1/{x^2}f(x)=1/x2x→0x\rightarrow 0x0 处极限为 +∞+\infty+
    x→±∞x\rightarrow \pm\inftyx± 处的极限严格的定义是 ∀ϵ>0\forall \epsilon>0ϵ>0, ∃ X\exist~X X, s.t. for x0,x1>Xx_0,x_1>Xx0,x1>X, f(x0)−f(x1)<ϵf(x_0)-f(x_1)<\epsilonf(x0)f(x1)<ϵ. 即有一个渐近线。
    – 注意 f(x)=sin⁡xf(x)=\sin xf(x)=sinxx→±∞x\rightarrow \pm\inftyx± 处就没有极限,因为他再不停震荡。而 f(x)=sin⁡(1/x)f(x)=\sin (1/x)f(x)=sin(1/x) 随着 x→0x\rightarrow 0x0 也在不停的震荡。
    – 一个很有趣的现象是,x→±∞x\rightarrow \pm\inftyx±的过程在坐标轴上可以画到无穷远,x→0x \rightarrow 0x0 在坐标轴上仅占据了很小的区间。但是,这两个区域却存在一 一对应关系, 比如对于每一个 x→+∞x\rightarrow +\inftyx+,总能找到一个 1/x→01/x\rightarrow 01/x0. 其实这也就说明了坐标上任何一点都能无限被放大。这就是无穷小的威力。

  3. 连续。判断一个函数是否连续先要看定义域,主要讨论的是他在定义域上是否连续。在一个点上,若 lim⁡x→af(x)=f(a)\lim_{x\rightarrow a}f(x)=f(a)limxaf(x)=f(a), 则该点上连续。在区间上每一点都连续就可以(闭区间时仅仅要求一侧极限即可)。但是注意到,f(x)=1/x2f(x)=1/{x^2}f(x)=1/x2 仍然被认为在 0 处是不连续的。虽然它在 0 处的极限存在,只不过是正无穷 (可能正无穷就不是一个数而是一个表达).

  4. 导数。我们认为一个函数 y=f(x)y=f(x)y=f(x) 的导数是 dy/dxdy/dxdy/dx, 即 (xxx一个小小的增量引起的yyy的增量) / (这个小小的增量)。显然这个导数在函数的每一点都是不一样的,我们对一个函数 (y=x2y=x^2y=x2) 求导得到的导函数 (y′=2xy'=2xy=2x) 即可以反应在一个点 x0x_0x0处的导数值。
    – 导数也存在左导数 lim⁡h→0−f(x0+h)−f(x0)h\lim_{h\rightarrow 0^-}\frac{f(x_0+h)-f(x_0)}{h}limh0hf(x0+h)f(x0) 和右导数 lim⁡h→0+f(x0+h)−f(x0)h\lim_{h\rightarrow 0^+}\frac{f(x_0+h)-f(x_0)}{h}limh0+hf(x0+h)f(x0) 的区别。若某点左导数右导数存在且相等,则该点导数存在,典型的反例是 x→0x\rightarrow 0x0 时的 y=∣x∣y=|x|y=x.
    – 可导必定连续,连续不一定可导。 魏尔斯特拉斯函数处处连续但不可导.
    – 导数的求解可以根据基本求导法则来, 也可以根据定义来,比如求 sin⁡x\sin xsinx 的导数
    lim⁡h→0sin⁡(x+h)−sin⁡xh=lim⁡h→02sin⁡(h2)cos⁡(h2+x)h=cos⁡x\lim_{h\rightarrow 0}\frac{\sin(x+h)-\sin x}{h}=\lim_{h\rightarrow 0}\frac{2\sin(\frac{h}{2})\cos(\frac{h}{2}+x)}{h}=\cos xh0limhsin(x+h)sinx=h0limh2sin(2h)cos(2h+x)=cosx
    – 链式法则的意思是 比如 z=g(y)z=g(y)z=g(y), y=f(x)y=f(x)y=f(x), 则 dzdx=dzdydydx=dg(y)dydf(x)dx\frac{dz}{dx}=\frac{dz}{dy}\frac{dy}{dx} = \frac{dg(y)}{dy}\frac{df(x)}{dx}dxdz=dydzdxdy=dydg(y)dxdf(x), 这可以想象成 xxx 的一点点变化引起了 yyy 的一点点变化, yyy 的一点点变化又引起了 zzz 的变化.

  5. 举例,判断分段函数是否连续是否可导
    f(x)={1x≤0x2+1x>0f(x)= \left\{ \begin{array}{lcl} 1 & & {x\leq 0}\\ x^2+1 & & {x>0} \end{array} \right. f(x)={1x2+1x0x>0

    首先, 我们判断 f(x)f(x)f(x)x=0x=0x=0 是连续的, 因为 lim⁡x→0−f(x)=lim⁡x→0+f(x)=1\lim_{x\rightarrow 0^-} f(x) = \lim_{x\rightarrow 0^+} f(x) = 1limx0f(x)=limx0+f(x)=1. 其次, 我们判断 f(x)f(x)f(x)x=0x=0x=0 是可导的, 因为 lim⁡h→0−f(0+h)−f(0)h=lim⁡h→0+f(0+h)−f(0)h=0\lim_{h\rightarrow 0^-} \frac{f(0+h)-f(0)}{h} = \lim_{h\rightarrow 0^+} \frac{f(0+h)-f(0)}{h} = 0limh0hf(0+h)f(0)=limh0+hf(0+h)f(0)=0.

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