函数的连续与间断

我们用函数来描述自然界中的现象,而自然界中的现象有两种:连续和离散(或间断),例如气温的变化就是连续的,在某个范围内可以任意取值,而年龄的变化是离散的,因为年龄只能取正整数,离散也可以认为是间断,所以函数也有连续和间断的概念。
由于我们一般用函数来描述连续的事物或现象,所以对函数来说,连续是常态,而间断则是特殊情况,需要去分类讨论。

函数的连续性

在讨论连续性之前,需要先了解一个概念:增量,设变量u从它的一个初值u_1变到终止u_2,终值与初值的差u_2-u_1就叫作变量u的增量,记作\Delta u,即

\Delta u=u_2-u_1

当然,增量\Delta u可能为正,也可能为负。有了增量这个概念,下面给出函数连续的定义。
连续的定义:设函数y=f(x)在点x_0的某一领域内有定义,如果

\lim_{\Delta x\rightarrow 0}\Delta y=\lim_{\Delta x\rightarrow 0}[f(x_0+\Delta x)-f(x_0)]=0

,那么就称函数y=f(x)在点x_0连续.
又因为,如果设x=x_0+\Delta x,则\Delta x\rightarrow 0其实就是x\rightarrow x_0,而\Delta y=f(x_0+\Delta x)-f(x_0)=f(x)-f(x_0),所以\Delta y\rightarrow0就是f(x)\rightarrow f(x_0),总之有

\lim_{x\rightarrow x_0}f(x)=f(x_0)

所以,函数y=f(x)在点x_0连续的定义又可以叙述如下:
设函数y=f(x)在点x_0的某一领域内有定义,如果

\lim_{x\rightarrow x_0}f(x)=f(x_0)

那么就称函数f(x)在点x_0连续。
函数连续的定义用\epsilon-\delta语言表达如下。
f(x)在点x_0连续\Leftrightarrow \forall \epsilon>0,\exist \delta>0,当|x-x_0|<\delta时,有|f(x)-f(x_0)|<\epsilon.

左连续与右连续

如果\lim_{x\rightarrow x_0^-}f(x)=f(x_0^-)存在且等于f(x),即f(x_0^-)=f(x_0),那么就说函数f(x)在点x_0左连续

如果\lim_{x\rightarrow x_0^+}f(x)=f(x_0^+)存在且等于f(x),即f(x_0^+)=f(x_0),那么就说函数f(x)在点x_0右连续

在某个区间上每一点都连续的函数,叫作在该区间上的连续函数,或者说函数在该区间上连续。如果区间包括端点,那么函数在右端点连续是指左连续,在左端点连续是指右连续。

连续函数的图像是一条连续而不间断的曲线。

函数的间断点

函数的间断,也叫不连续,有以下三种情况。
1、在x=x_0没有定义;
2、虽然在x=x_0有定义,但\lim_{x\rightarrow x_0}f(x)不存在;
3、虽然在x=x_0有定义,且\lim_{x\rightarrow x_0}f(x)存在,但\lim_{x\rightarrow x_0}f(x)\neq f(x_0)
满足以上三种情况之一,称函数f(x)在点x_0不连续,而点x_0称为函数f(x)不连续点间断点

例如,正切函数y=\tan xx=\frac{\pi}{2}处没有定义,所以点x=\frac{\pi}{2}是函数\tan x的间断点。又因为

\lim_{x\rightarrow \frac{\pi}{2}} \tan x=\infty

所以x=\frac{\pi}{2}是函数\tan x无穷间断点

又比如,函数y=\frac{x^2-1}{x-1}在点x=1没有定义,所以函数在点x=1为不连续。但由于

\lim_{x\rightarrow 1}\frac{x^2-1}{x-1}=\lim_{x\rightarrow 1}(x+1)=2

如果补充定义:x=1,y=2,则函数在x=1时连续,所以x=1称为该函数的可去间断点

通过上面的一些例子,可以将函数的间断点分为两类:
第一类间断点:$x_0$是函数$f(x)$的间断点,但左极限$f(x_0^-)$及右极限$f(x_0^+)$都存在,则$x_0$为函数$f(x)$的第一类间断点。
第二类间断点:不属于第一类间断点的称为第二类间断点,例如上面的无穷间断点等。

以上就是函数的连续与间断。

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