那些年,那“点”事

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前言

最近发现一些有趣的事,这些事都是围绕着“点”发生的,一个个看似不起眼的“点”却有着非常大的影响力。这些点分为三类:连续点、间断点、可导点。下面将对其分别展开介绍。


一、邻域

邻域定义为:
设 δ > 0 \delta>0 δ>0,实数集 U δ ( x 0 ) = { x ∣ ∣ x − x 0 ∣ < δ } U_\delta(x_0) = \{x\mid | x-x_0|<\delta \} Uδ​(x0​)={x∣∣x−x0​∣<δ} 称为 x 0 x_0 x0​ 的 δ \delta δ 邻域,如果不必说及邻域半径 δ \delta δ 的大小,则简记为 U ( x 0 ) U(x_0) U(x0​),称为 x 0 x_0 x0​ 的某邻域。
这里出现了第一个重要的“点”,即 x 0 x_0 x0​。 x 0 x_0 x0​ 的邻域可通俗理解为由如下两部分构成的点集:

  1. 到 x 0 x_0 x0​ 的距离 小于 δ \delta δ 的点的集合
  2. x 0 x_0 x0​ 自身

去心邻域定义为:
U ˚ δ ( x 0 ) = { x ∣ 0 < ∣ x − x 0 ∣ < δ } \mathring{U}_\delta(x_0) = \{x\mid 0<| x-x_0|<\delta \} U˚δ​(x0​)={x∣0<∣x−x0​∣<δ} 称为 x 0 x_0 x0​ 的 去心 δ \delta δ 邻域。 x 0 x_0 x0​ 的去心邻域可通俗理解为由一部分构成的点集:

  1. 到 x 0 x_0 x0​ 的距离 小于 δ \delta δ 且 不等于0 的点的集合

从去心邻域和邻域的定义可以看出,去心邻域的“去心”指的就是去掉了 x 0 x_0 x0​ 自身 这个点。

二、极限

f ( x ) f(x) f(x) 在 x 0 x_0 x0​ 处的极限定义为:
lim ⁡ x → x 0 f ( x ) \lim\limits_{x \to x_0}f(x) x→x0​lim​f(x) 存在,记为 lim ⁡ x → x 0 f ( x ) = A \lim\limits_{x \to x_0}f(x) = A x→x0​lim​f(x)=A,可解释为:对任意给定的 ϵ \epsilon ϵ,存在 δ \delta δ,当 0 < ∣ x − x 0 ∣ < δ 0<|x-x_0|<\delta 0<∣x−x0​∣<δ 时,就有 ∣ f ( x ) − A ∣ < ϵ |f(x)-A|<\epsilon ∣f(x)−A∣<ϵ. 这里需要注意的是 x → x 0 x \to x_0 x→x0​ 等价于 x x x 趋于 x 0 x_0 x0​ 但 取不到 x 0 x_0 x0​ 点,这也就是 ∣ x − x 0 ∣ > 0 |x-x_0| > 0 ∣x−x0​∣>0 而不是 ∣ x − x 0 ∣ ⩾ 0 |x-x_0| \geqslant 0 ∣x−x0​∣⩾0 的原因。

三、连续点

函数在一点处 连续 定义为:
设 f ( x ) f(x) f(x)在 x = x 0 x=x_0 x=x0​ 的某邻域 U ( x 0 ) U(x_0) U(x0​) 有定义,且
lim ⁡ x → x 0 f ( x ) = f ( x 0 ) \lim_{x \to x_0} f(x)=f(x_0) x→x0​lim​f(x)=f(x0​)则称 f ( x ) f(x) f(x) 在 x = x 0 x=x_0 x=x0​ 处连续。

函数在一点处 左连续 定义为:
设 f ( x ) f(x) f(x)在 x = x 0 x=x_0 x=x0​ 的左侧某邻域 x 0 − δ < x ⩽ x 0 x_0-\delta<x\leqslant x_0 x0​−δ<x⩽x0​ 有定义,且
lim ⁡ x → x 0 − f ( x ) = f ( x 0 ) \lim_{x \to x_0^-} f(x)=f(x_0) x→x0−​lim​f(x)=f(x0​)则称 f ( x ) f(x) f(x) 在 x = x 0 x=x_0 x=x0​ 处左连续。

函数在一点处 右连续 定义为:
设 f ( x ) f(x) f(x)在 x = x 0 x=x_0 x=x0​ 的右侧某邻域 x 0 ⩽ x < x 0 + δ x_0\leqslant x<x_0+\delta x0​⩽x<x0​+δ 有定义,且
lim ⁡ x → x 0 + f ( x ) = f ( x 0 ) \lim_{x \to x_0^+} f(x)=f(x_0) x→x0+​lim​f(x)=f(x0​)则称 f ( x ) f(x) f(x) 在 x = x 0 x=x_0 x=x0​ 处右连续。

连续研究的是函数中的 一种性质。如上对三种连续的定义可以看出三种连续的特点为:

  1. 连续:
    1). x 0 x_0 x0​ 点必须 有定义
    2). x 0 x_0 x0​ 点 左附近 的点 必须 有定义
    3). x 0 x_0 x0​ 点 右附近 的点 必须 有定义
  2. 左连续:
    1). x 0 x_0 x0​ 点必须 有定义
    2). x 0 x_0 x0​ 点 左附近 的点 必须 有定义
  3. 右连续:
    1). x 0 x_0 x0​ 点必须 有定义
    2). x 0 x_0 x0​ 点 右附近 的点 必须 有定义

基于这三种连续情况的定义,对于定义在开区间 ( a , b ) (a,b) (a,b) 上的函数 f ( x ) f(x) f(x) 来说是只能研究 ( a , b ) (a,b) (a,b) 内部点的连续性的,因为 x = a x=a x=a 与 x = b x=b x=b 两点处 f ( x ) f(x) f(x) 没有定义,而点有定义是连续的前提。对于定义在闭区间 [ a , b ] [a,b] [a,b] 上的函数 f ( x ) f(x) f(x) 来说可以研究 ( a , b ) (a,b) (a,b) 内部点的连续性,也可以研究 x = a x=a x=a 点的右连续性和 x = b x=b x=b 点的左连续性,对于 x = a x=a x=a 点其 自身 和其 右附近的点 有定义,对于 x = b x=b x=b 点其 自身 和其 左附近的点 有定义。

四、间断点

第一类间断点的判定标准为:

  1. f ( x ) f(x) f(x) 在 x = x 0 x=x_0 x=x0​的某 去心邻域 内有 定义
  2. lim ⁡ x → x 0 − f ( x ) \lim\limits_{x \to x_0^-}f(x) x→x0−​lim​f(x) 、 lim ⁡ x → x 0 + f ( x ) \lim\limits_{x \to x_0^+}f(x) x→x0+​lim​f(x) 都存在

第二类间断点的判定标准为:

  1. f ( x ) f(x) f(x) 在 x = x 0 x=x_0 x=x0​的某 去心邻域 内有 定义
  2. lim ⁡ x → x 0 − f ( x ) \lim\limits_{x \to x_0^-}f(x) x→x0−​lim​f(x) 、 lim ⁡ x → x 0 + f ( x ) \lim\limits_{x \to x_0^+}f(x) x→x0+​lim​f(x) 至少有一个不存在

间断研究的是某点 x 0 x_0 x0​ 附近点集 的一种状态,从两类间断点的判定标准就可以看出,判断是否间断的必要条件是 f ( x ) f(x) f(x) 在 x = x 0 x=x_0 x=x0​的某 去心邻域 内有 定义 即 x = x 0 x=x_0 x=x0​ 左附近 , x = x 0 x=x_0 x=x0​ 右附近 的点 两者都 有定义。对于定义在闭区间 [ a , b ] [a,b] [a,b] 或者是定义在 ( a , b ) (a,b) (a,b) 的函数 f ( x ) f(x) f(x) 来说,只能研究 ( a , b ) (a,b) (a,b) 内部点 的间断性,而对于 x = a {x=a} x=a 点 只满足 右附近的点有定义,所以 x = a {x=a} x=a 点没有间断性,对于 x = b {x=b} x=b 点 只满足 左附近的点有定义,所以 x = b {x=b} x=b 点也没有间断性。

五、可导点

可导的定义为:
设 f ( x ) f(x) f(x) 在 x = x 0 x=x_0 x=x0​ 的某 邻域 U ( x 0 ) U(x_0) U(x0​) 内有定义,并设 x 0 + Δ x ∈ U ( x 0 ) x_0+\Delta x \in U(x_0) x0​+Δx∈U(x0​). 如果 lim ⁡ Δ x → 0 f ( x 0 + Δ x ) − f ( x 0 ) Δ x \lim_{\Delta x \to 0} \frac{f(x_0+\Delta x)-f(x_0)}{\Delta x} Δx→0lim​Δxf(x0​+Δx)−f(x0​)​存在,则称 f ( x ) f(x) f(x) 在 x = x 0 x=x_0 x=x0​ 处可导。
在定义式中,若记 x = x 0 + Δ x x=x_0+\Delta x x=x0​+Δx,则该式可改写为:
lim ⁡ x → x 0 f ( x ) − f ( x 0 ) x − x 0 = f ′ ( x 0 ) \lim_{x \to x_0} \frac{f(x)-f(x_0)}{x-x_0} = f'(x_0) x→x0​lim​x−x0​f(x)−f(x0​)​=f′(x0​)

左导数的定义为:
设 f ( x ) f(x) f(x)在 x = x 0 x=x_0 x=x0​ 的左侧某 邻域 x 0 − δ < x ⩽ x 0 x_0-\delta<x\leqslant x_0 x0​−δ<x⩽x0​ 有定义. 如果 lim ⁡ x → x 0 − f ( x ) − f ( x 0 ) x − x 0 \lim_{x \to x_0^-} \frac{f(x)-f(x_0)}{x-x_0} x→x0−​lim​x−x0​f(x)−f(x0​)​存在,则称 f ( x ) f(x) f(x) 在 x = x 0 x=x_0 x=x0​ 处左导数存在。

右导数的定义为:
设 f ( x ) f(x) f(x)在 x = x 0 x=x_0 x=x0​ 的右侧某 邻域 x 0 ⩽ x < x 0 + δ x_0 \leqslant x < x_0+\delta x0​⩽x<x0​+δ 有定义. 如果 lim ⁡ x → x 0 + f ( x ) − f ( x 0 ) x − x 0 \lim_{x \to x_0^+} \frac{f(x)-f(x_0)}{x-x_0} x→x0+​lim​x−x0​f(x)−f(x0​)​存在,则称 f ( x ) f(x) f(x) 在 x = x 0 x=x_0 x=x0​ 处右导数存在。

可导研究的是函数中 的一种性质,类比 的连续性,点的可导性的特点如下:

  1. 可导
    1). x 0 x_0 x0​ 点必须 有定义
    2). x 0 x_0 x0​ 点 左附近 的点 必须 有定义
    3). x 0 x_0 x0​ 点 右附近 的点 必须 有定义
  2. 左可导:
    1). x 0 x_0 x0​ 点必须 有定义
    2). x 0 x_0 x0​ 点 左附近 的点 必须 有定义
  3. 右可导:
    1). x 0 x_0 x0​ 点必须 有定义
    2). x 0 x_0 x0​ 点 右附近 的点 必须 有定义

基于这三种可导情况的定义,对于定义在开区间 ( a , b ) (a,b) (a,b) 上的函数 f ( x ) f(x) f(x) 来说是只能研究 ( a , b ) (a,b) (a,b) 内部点的可导性的,因为 x = a x=a x=a 与 x = b x=b x=b 两点处 f ( x ) f(x) f(x) 没有定义,而点有定义是可导的前提。对于定义在闭区间 [ a , b ] [a,b] [a,b] 上的函数 f ( x ) f(x) f(x) 来说可以研究 ( a , b ) (a,b) (a,b) 内部点的可导性,也可以研究 x = a x=a x=a 点的右可导性和 x = b x=b x=b 点的左可导性,对于 x = a x=a x=a 点其 自身 和其 右附近的点 有定义,对于 x = b x=b x=b 点其 自身 和其 左附近的点 有定义。

经典例题

设有命题
1). 若 f ( x ) f(x) f(x) 在 x 0 x_0 x0​ 处可导,则 ∣ f ( x ) ∣ |f(x)| ∣f(x)∣ 在 x 0 x_0 x0​ 处可导
2). 若 f ( x ) f(x) f(x) 在 x 0 x_0 x0​ 处连续,且 ∣ f ( x ) ∣ |f(x)| ∣f(x)∣ 在 x 0 x_0 x0​ 处可导,则 f ( x ) f(x) f(x) 在 x 0 x_0 x0​ 处可导。
3). 若 f ( x ) f(x) f(x) 在 x 0 x_0 x0​ 处的左、右导数都存在,则 f ( x ) f(x) f(x) 在 x 0 x_0 x0​ 处连续。
4). 若 f ( x ) f(x) f(x) 在 x 0 x_0 x0​ 处导函数的极限 lim ⁡ x → x 0 f ′ ( x ) \lim\limits_{x \to x_0}f'(x) x→x0​lim​f′(x) 存在,则 f ( x ) f(x) f(x) 在 x 0 x_0 x0​ 处连续。
上述命题中正确的个数为 ( 2 ) 个。

解析:
1). 错误。反证法:设 f ( x ) = x − x 0 f(x)=x-x_0 f(x)=x−x0​,易得 f ( x ) f(x) f(x) 在 x 0 x_0 x0​ 处可导,而 ∣ f ( x ) ∣ = ∣ x − x 0 ∣ |f(x)|=|x-x_0| ∣f(x)∣=∣x−x0​∣ 在 x 0 x_0 x0​ 处不可导。
2). 正确。
① 若 f ( x 0 ) > 0 f(x_0)>0 f(x0​)>0,则在 x 0 x_0 x0​ 某邻域内, ∣ f ( x ) ∣ = f ( x ) |f(x)|=f(x) ∣f(x)∣=f(x),从而 f ( x ) f(x) f(x) 在 x 0 x_0 x0​ 处可导。
② 若 f ( x 0 ) < 0 f(x_0)<0 f(x0​)<0,则在 x 0 x_0 x0​ 某邻域内, ∣ f ( x ) ∣ = − f ( x ) |f(x)|=-f(x) ∣f(x)∣=−f(x),从而 f ( x ) f(x) f(x) 在 x 0 x_0 x0​ 处可导。
③ 若 f ( x 0 ) = 0 f(x_0)=0 f(x0​)=0,则 lim ⁡ x → x 0 ∣ f ( x ) ∣ x − x 0 \lim\limits_{x \to x_0}{|f(x)| \over x-x_0} x→x0​lim​x−x0​∣f(x)∣​ 存在,而 lim ⁡ x → x 0 + ∣ f ( x ) ∣ x − x 0 ⩾ 0 \lim\limits_{x \to x_0^+}{|f(x)| \over x-x_0} \geqslant 0 x→x0+​lim​x−x0​∣f(x)∣​⩾0, lim ⁡ x → x 0 − ∣ f ( x ) ∣ x − x 0 ⩽ 0 \lim\limits_{x \to x_0^-}{|f(x)| \over x-x_0} \leqslant 0 x→x0−​lim​x−x0​∣f(x)∣​⩽0,可得 lim ⁡ x → x 0 ∣ f ( x ) ∣ x − x 0 = 0 \lim\limits_{x \to x_0}{|f(x)| \over x-x_0}=0 x→x0​lim​x−x0​∣f(x)∣​=0,因此 lim ⁡ x → x 0 ∣ ∣ f ( x ) ∣ x − x 0 ∣ = lim ⁡ x → x 0 ∣ f ( x ) x − x 0 ∣ = 0 \lim\limits_{x \to x_0}|{|f(x)| \over x-x_0}|=\lim\limits_{x \to x_0}|{f(x) \over x-x_0}|=0 x→x0​lim​∣x−x0​∣f(x)∣​∣=x→x0​lim​∣x−x0​f(x)​∣=0,故 lim ⁡ x → x 0 f ( x ) x − x 0 = 0 \lim\limits_{x \to x_0}{f(x) \over x-x_0}=0 x→x0​lim​x−x0​f(x)​=0, f ( x ) f(x) f(x) 在 x 0 x_0 x0​ 处可导。(: lim ⁡ x → x 0 ∣ f ( x ) ∣ = 0 \lim\limits_{x \to x_0} |f(x)| = 0 x→x0​lim​∣f(x)∣=0 是 lim ⁡ x → x 0 f ( x ) = 0 \lim\limits_{x \to x_0} f(x) = 0 x→x0​lim​f(x)=0 充分必要条件证明见附1)
3). 正确。由于 f ( x ) f(x) f(x) 在 x 0 x_0 x0​ 处的左导数存在,则 f ( x ) f(x) f(x) 在 x 0 x_0 x0​ 处左连续,即 lim ⁡ x → x 0 − f ( x ) = f ( x 0 ) \lim\limits_{x \to x_0^-}f(x)=f(x_0) x→x0−​lim​f(x)=f(x0​),由于 f ( x ) f(x) f(x) 在 x 0 x_0 x0​ 处的右导数存在,则 f ( x ) f(x) f(x) 在 x 0 x_0 x0​ 处右连续,即 lim ⁡ x → x 0 + f ( x ) = f ( x 0 ) \lim\limits_{x \to x_0^+}f(x)=f(x_0) x→x0+​lim​f(x)=f(x0​),从而 lim ⁡ x → x 0 − f ( x ) = lim ⁡ x → x 0 + f ( x ) = f ( x 0 ) \lim\limits_{x \to x_0^-}f(x)=\lim\limits_{x \to x_0^+}f(x)=f(x_0) x→x0−​lim​f(x)=x→x0+​lim​f(x)=f(x0​),因此 f ( x ) f(x) f(x) 在 x 0 x_0 x0​ 处连续。
4). 错误。 lim ⁡ x → x 0 f ′ ( x ) \lim\limits_{x \to x_0}f'(x) x→x0​lim​f′(x) 研究的是 x x x 趋于 x 0 x_0 x0​ 但不等于 x 0 x_0 x0​ 的 f ′ ( x ) f'(x) f′(x)的极限值,与 x 0 x_0 x0​点自身无关,而 f ( x ) f(x) f(x) 在 x 0 x_0 x0​ 处的连续性,与 x 0 x_0 x0​点自身相关。反证法: f ( x ) = { x 2 x = /    0 1 x = 0  f(x) = \begin{cases} x^2 &\text{x {=}\llap{/\,} 0} \\ 1 &\text{x = 0 } \end{cases} f(x)={x21​x =/​ 0x = 0 ​, f ′ ( x ) = 2 x f'(x)=2x f′(x)=2x, lim ⁡ x → 0 f ′ ( x ) \lim\limits_{x \to 0}f'(x) x→0lim​f′(x) 存在,但 f ( x ) f(x) f(x) 在 0 处不连续。

总结

连续、可导研究的是点的一种性质,因此当研究某点 x 0 x_0 x0​ 左右连续性或者某点 x 0 x_0 x0​ 左右可导性时需要在这点 x 0 x_0 x0​ 处有定义。极限和间断研究的是趋向于某点 x 0 x_0 x0​ 的一种态势,是一种趋向性,与某点 x 0 x_0 x0​ 附近的点的状况有关而与这个点 x 0 x_0 x0​ 自身没有关系。

附录

附1

lim ⁡ x → x 0 ∣ f ( x ) ∣ = 0 \lim\limits_{x \to x_0} |f(x)| = 0 x→x0​lim​∣f(x)∣=0 是 lim ⁡ x → x 0 f ( x ) = 0 \lim\limits_{x \to x_0} f(x) = 0 x→x0​lim​f(x)=0 充分必要条件的证明:
① lim ⁡ x → x 0 f ( x ) = 0 \lim\limits_{x \to x_0} f(x) = 0 x→x0​lim​f(x)=0 成立可解释为:对任意给定的 ϵ \epsilon ϵ,存在 δ \delta δ,当 0 < ∣ x − x 0 ∣ < δ 0<|x-x_0|<\delta 0<∣x−x0​∣<δ 时,就有 ∣ f ( x ) − 0 ∣ < ϵ |f(x)-0|<\epsilon ∣f(x)−0∣<ϵ.
② lim ⁡ x → x 0 ∣ f ( x ) ∣ = 0 \lim\limits_{x \to x_0} |f(x)| = 0 x→x0​lim​∣f(x)∣=0 成立可解释为:对任意给定的 ϵ \epsilon ϵ,存在 δ \delta δ,当 0 < ∣ x − x 0 ∣ < δ 0<|x-x_0|<\delta 0<∣x−x0​∣<δ 时,就有 ∣ ∣ f ( x ) ∣ − ∣ 0 ∣ ∣ < ϵ ||f(x)|-|0||<\epsilon ∣∣f(x)∣−∣0∣∣<ϵ.
可以看出 ∣ f ( x ) − 0 ∣ < ϵ |f(x)-0|<\epsilon ∣f(x)−0∣<ϵ 与 ∣ ∣ f ( x ) ∣ − ∣ 0 ∣ ∣ < ϵ ||f(x)|-|0||<\epsilon ∣∣f(x)∣−∣0∣∣<ϵ 是等价的,因此 lim ⁡ x → x 0 ∣ f ( x ) ∣ = 0 \lim\limits_{x \to x_0} |f(x)| = 0 x→x0​lim​∣f(x)∣=0 是 lim ⁡ x → x 0 f ( x ) = 0 \lim\limits_{x \to x_0} f(x) = 0 x→x0​lim​f(x)=0 充分必要条件。

附2

对命题:若 f ( x ) f(x) f(x) 在 x 0 x_0 x0​ 处的左、右导数都存在,则 f ( x ) f(x) f(x) 在 x 0 x_0 x0​ 处连续的一种误解进行解释。
误解: f ( x ) = { x + 1 x ⩾ 0 x − 1 x < 0 f(x) = \begin{cases} x+1 &\text{} x \geqslant 0\\ x-1 &\text{} x < 0 \end{cases} f(x)={x+1x−1​x⩾0x<0​ 在 x = 0 x=0 x=0 处的左导数为 f ( 0 − ) = 1 f(0_-) = 1 f(0−​)=1,在 x = 0 x=0 x=0 处的右导数为 f ( 0 + ) = 1 f(0_+) = 1 f(0+​)=1,而 f ( x ) f(x) f(x) 在 x = 0 x=0 x=0 处不连续。
解释: f ( x ) f(x) f(x) 在 x = 0 x=0 x=0 处只存在右导数,不存在左导数。因为 f ( x ) f(x) f(x) 在 x = 0 x=0 x=0 有左导数的前提是 当 x < 0 x<0 x<0 时, f ( x ) = x − 1 f(x)=x-1 f(x)=x−1 在 x = 0 x=0 x=0 处及其 x = 0 x=0 x=0 的左附近有定义,而 x < 0 x<0 x<0 时, f ( x ) f(x) f(x) 在 x = 0 x=0 x=0 处并没有定义,因此 f ( x ) f(x) f(x) 在 x = 0 x=0 x=0 处不存在左导数。

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