要证明这个函数在x=0时是连续的,我们需要证明$\lim\limits_{x\rightarrow 0} f(x) = f(0)$,其中$f(x)$是该函数。
首先考虑当$x\neq 0$时,$f(x) = x\cdot\sin\dfrac{1}{x}$是连续的,因为$x$和$\sin\dfrac{1}{x}$都是连续的函数。因此,我们只需要证明$\lim\limits_{x\rightarrow 0} f(x) = 0$。
对于任意$\epsilon > 0$,我们需要找到一个$\delta > 0$,使得当$0<|x|<\delta$时,$|f(x)|<\epsilon$。由于$|\sin x|\leq 1$,我们有:
$$|f(x)| = |x\cdot \sin \frac{1}{x}| \leq |x|$$
因此,我们可以选择$\delta=\epsilon$。当$0<|x-0|<\delta$时,我们有:
$$|f(x) - f(0)| = |f(x)| \leq |x| < \delta = \epsilon$$
这说明在x=0时,该函数是连续的。
接下来,我们需要证明该函数在x=0处的导数不存在。我们可以使用函数的定义来计算导数:
$$f'(0) = \lim\limits_{x\rightarrow 0} \frac{f(x)-f(0)}{x-0} = \lim\limits_{x\rightarrow 0} \frac{x\cdot\sin\dfrac{1}{x}}{x} = \lim\limits_{x\rightarrow 0} \sin\dfrac{1}{x}$$
由于$\sin\dfrac{1}{x}$在$x\rightarrow 0$时没有极限,因此$f'(0)$不存在,即该函数在x=0处的导数不存在。
关于$\sin\dfrac{1}{x}$在$x\rightarrow 0$时为何没有极限的问题:
当 $x$ 趋近于 $0$ 时,$\sin \frac{1}{x}$ 的值会在 $[-1,1]$ 之间震荡。因为 $\frac{1}{x}$ 可以取到非常大的值,使得 $\sin \frac{1}{x}$ 的振幅也会变得非常大。具体来说,对于任何给定的正数 $M$,可以找到两个数 $x_1$ 和 $x_2$,满足 $0 < |x_1| < |x_2| < \frac{1}{\pi M}$,使得 $\sin \frac{1}{x_1} = -1$,$\sin \frac{1}{x_2} = 1$。因此,当 $x$ 趋近于 $0$ 时,$\sin \frac{1}{x}$ 没有极限。
这个结论也可以通过反证法来证明。假设 $\lim_{x \to 0} \sin \frac{1}{x}$ 存在,设其极限为 $L$。则对于任意 $\epsilon > 0$,存在 $\delta > 0$,使得当 $0 < |x| < \delta$ 时,$|\sin \frac{1}{x} - L| < \epsilon$。选择 $\epsilon = 1$,则存在 $0 < |x_1| < |x_2| < \delta$,使得 $\sin \frac{1}{x_1} = -1$,$\sin \frac{1}{x_2} = 1$。因此,$|-1 - L| < 1$ 和 $|1 - L| < 1$,推出 $L \leq -2$ 和 $L \geq 2$,与 $|\sin \frac{1}{x}| \leq 1$ 矛盾。因此,假设不成立,$\sin \frac{1}{x}$ 在 $x \to 0$ 时没有极限。
关于第一个问题,即证明这个函数在x=0时是连续的,为何不能采用证明左右极限相等的方法来证明?
首先,我们计算左极限:
$$\lim_{x\to 0^-} f(x) = \lim_{x\to 0^-} x\cdot\sin\dfrac{1}{x}$$
当$x\to 0^-$时,$\dfrac{1}{x}\to -\infty$,因此$\sin\dfrac{1}{x}$在$x\to 0^-$时振荡无限,没有极限。因此,左极限不存在。
接下来,我们计算右极限:
$$\lim_{x\to 0^+} f(x) = \lim_{x\to 0^+} x\cdot\sin\dfrac{1}{x}$$
当$x\to 0^+$时,$\dfrac{1}{x}\to +\infty$,因此$\sin\dfrac{1}{x}$在$x\to 0^+$时也振荡无限,没有极限。因此,右极限也不存在。
由于左右极限都不存在,所以该函数在$x=0$处不连续。
因此,我们不能使用左右极限相等的方法来证明该函数在$x=0$时是连续的。