函数连续、可导、可微、连续可微

本文详细阐述了一元和多元函数在某点的极限存在、连续性和可微性的充要条件。一元函数在某点可导的等价条件是左右导数存在且相等;多元函数的可微性则要求所有偏导数存在且连续。连续可微性意味着偏导数不仅存在,而且必须连续。这些概念是微积分基础的重要组成部分。

1、函数 f ( x ) f(x) f(x)在点 x 0 x_0 x0极限存在的充要条件


f(x)在点 x 0 x_0 x0存在极限并不要求f(x)在该点有定义,只需要在点 x 0 x_0 x0存在左右极限且相等。

2、函数 f ( x ) f(x) f(x)在点 x 0 x_0 x0连续的充要条件

在这里插入图片描述
需要函数 f ( x ) f(x) f(x)在点 x 0 x_0 x0极限存在且等于 f ( x 0 ) f(x_0) f(x0)

3、函数 f ( x ) f(x) f(x)在点 x 0 x_0 x0可微

实际上,多元函数没有"可导"一说,因为多元函数在某一点 x 0 x_0 x0有多个变量,那么只能说对某个变量 x 0 i x_0^i x0i可偏导。如果在这点的所有变量的偏导数都存在且连续,则说多元函数 f ( x ) f(x) f(x)在点 x 0 x_0 x0可微,但是反过来,函数可微不一定能推出便导数连续。

3.1一元函数可导的充要条件

一元函数可导的充要条件左右导数存在且相等
在这里插入图片描述
对于一元函数来说,就一个(偏)导数,故而一元函数可微与可导是等价的。

3.2多元函数偏导的定义

f ( x ) f(x) f(x) x 0 x_0 x0中第一个变量 x 0 1 x_0^1 x01求偏导,则将其他所有的变量都当成常数,这时候直接对 x 0 1 x_0^1 x01进行求导即可。

多元函数 f ( x ) f(x) f(x)在点 x 0 x_0 x0可微的充分条件是 f ( x ) f(x) f(x)在点 x 0 x_0 x0 n n n个偏导数都存在且连续。

4、函数 f ( x ) f(x) f(x)在点 x 0 x_0 x0连续可微

令函数是在开区间上可微的,若函数的导函数是开区间上的连续函数,则称函数在开区间上连续可微,记作连续可微。
**因为偏导数连续能推出可微,然而可微并不能推出偏导数连续。**因为存在偏导数不连续也可微的函数,所以连续可微与可微的区别就是,连续可微函数的偏导数一定连续,而可微函数就不一定了。

有以下关系:
在这里插入图片描述

这篇文章值得看

在一元函数中,连续、可、可、极限之间的推关系如下: ### 可推的情况 - **可连续**:若函数在某点可,那么函数在该点一定连续。因为可意味着函数在该点的变化率存在,从极限角度看,函数在该点的极限值等于函数值,满足连续的定义。例如函数\(y = x^2\),其数\(y^\prime=2x\),在任意一点\(x_0\)处可,同时在该点也是连续的。 - **可⇔可**:对于一元函数而言,可和可是等价的。可是指函数在某点的数存在,而可是指函数的增量可以表示为自变量增量的线性函数与一个高阶无穷小之和。从数学表达式上,若函数\(y = f(x)\)在点\(x\)处可,即\(y^\prime = f^\prime(x)\)存在,则\(\Delta y=f^\prime(x)\Delta x + o(\Delta x)\),这满足可的定义;反之,若函数在某点可,也能推出在该点可。例如函数\(y=\sin x\),其数\(y^\prime = \cos x\),在任意一点\(x\)处可,同时在该点也是可的。 - **可(可)⇒极限存在**:因为可要求函数在某点的数存在,数的定义本身就是基于极限的,所以可意味着函数在该点的极限存在。同样可也能推出极限存在,因为可和可等价。 - **连续⇒极限存在**:连续的定义是函数在某点的极限值等于该点的函数值,所以函数在某点连续必然意味着在该点极限存在。例如函数\(y=\frac{x^2 - 1}{x - 1}\),在\(x = 1\)处无定义,但当\(x\to1\)时极限存在为\(2\),若补充定义\(y(1)=2\),则函数在\(x = 1\)处连续。 ### 不可推的情况 - **连续≠>可**:连续函数不一定可,例如函数\(y = |x|\)在\(x = 0\)处连续,但在该点不可,因为在\(x = 0\)处左数为\(-1\),右数为\(1\),左右数不相等。 - **连续≠>可**:由于连续不一定可,而可和可等价,所以连续不一定可。还是以\(y = |x|\)为例,在\(x = 0\)处连续但不可。 - **极限存在≠>连续**:函数在某点极限存在,但该点的函数值可能不等于极限值或者函数在该点无定义,所以极限存在不一定连续。例如函数\(f(x)=\begin{cases}x + 1, x\neq1\\0, x = 1\end{cases}\),当\(x\to1\)时极限为\(2\),但\(f(1)=0\),函数在\(x = 1\)处不连续。 - **极限存在≠>可(可)**:极限存在连连续都不能保证,更不能推出可和可。例如上述函数\(f(x)\)在\(x = 1\)处极限存在但不连续,也就不可和不可。 ```python import sympy as sp # 定义符号变量 x = sp.Symbol('x') # 定义函数 f = sp.Abs(x) # 检查连续性 limit_left = sp.limit(f, x, 0, dir='-') limit_right = sp.limit(f, x, 0, dir='+') value_at_zero = f.subs(x, 0) if limit_left == limit_right == value_at_zero: print("函数在 x = 0 处连续") else: print("函数在 x = 0 处不连续") # 检查可性 derivative_left = sp.limit((f - f.subs(x, 0))/(x - 0), x, 0, dir='-') derivative_right = sp.limit((f - f.subs(x, 0))/(x - 0), x, 0, dir='+') if derivative_left == derivative_right: print("函数在 x = 0 处可") else: print("函数在 x = 0 处不可") ```
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