考虑以下定义的函数,证明这个函数在x=0时是连续的,并且证明这个函数在x=0处的导数不存在
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考虑以下定义的函数,证明这个函数在x=0时是连续的,并且证明这个函数在x=0处的导数不存在

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函数:当x=0 时,y=0;当x不等于 0 时,y=x\cdot \sin \dfrac{1}{x}

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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\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}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}x\rightarrow 0 时为何没有极限的问题:

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_1x_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|1 - L| < 1 ,推出 L \leq -2L \geq 2 ,与|\sin \frac{1}{x}| \leq 1 矛盾。因此,假设不成立,\sin \frac{1}{x}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}

x\to 0^-时,\dfrac{1}{x}\to -\infty ,因此,\sin\dfrac{1}{x}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}

x\to 0^+时,\dfrac{1}{x}\to +\infty ,因此\sin\dfrac{1}{x}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。

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