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函數極限存在和可導的條件

生活 更新时间:2025-01-26 17:02:44

之所以寫這篇文章,目的在于縷清函數極限、連續、可導、可微内在思路,隻要思路清晰了,我們才可以做到心裡有理有據,大方向不出錯。

函數的極限、連續、可導、可微是怎麼步步為營,層層遞進的。

首先我們看看極限是怎麼提出來的?極限:無限靠近而永遠不能到達,英文名字limit,極限符号就是取縮寫lim,它就是一個符号,意思是自變量x取值靠近一個數,函數值是多少。

在計算曲線長度的時候,我們不會測量曲線的長度,隻能把曲線不斷分割,再把分割的線近似等于直線來測量,這樣下來我們就可以得到曲線的近似長度;那怎麼更加逼近曲線真是長度呢?隻有切割無限多無窮小的直線才可以更真是模拟曲線長度,這裡的無窮小,到底是多小呢?在數字中數學0是最小的,無窮小隻有無限逼近0但不能等于0,這樣才可以劃分的最小,無窮小是一個動态的變化的數值,在數學中是不能計算出具體結果的,于是數學家引入一個新的數學概念---極限,無窮小的極限等于0,是具體的數值,這樣我們就利用無窮小的極限來進行計算了。

為了形象表達極就是動态變化的,我們拿0.999...... 數字9無限循環下去,這個數字一直在變化,我們可以取它極限也就是1拿來計算。

函數極限存在和可導的條件(函數的極限連續)1

為什麼需要求極限,凡是涉及無窮的問題都是需要求極限的問題,因為無窮就是一個動态變化過程,不能直接求出精确數值,隻能利用極限思想求值。

極限我們是可以從不同方向求取的,也就是左極限和右極限,如下圖我們可以求出一段函數的左極限或者右極限。

函數極限存在和可導的條件(函數的極限連續)2

有了極限思想,那麼函數的連續性就自然而然解決了,如果函數上點P,在P點可以向左移動無窮小,也可以向右邊移動無窮小,那麼我們就說函數在點P處是連續的,因為無窮小是任意小,隻要你想到多小就有多小,中間是沒有縫隙的,也就是說隻有P點的左極限和右極限相等時,才能說明函數是在點P處連續的,極限唯一确定才連續。連續是不管是不是光滑,尖角也可以是連續的例如圖中點b處。

函數極限存在和可導的條件(函數的極限連續)3

函數極限存在和可導的條件(函數的極限連續)4

有了連續概念,接下來我需要研究連續函數的光滑程度,變化方向,也就是導數,導數具有導向、向導含義,也就是表示方向的意思。導數幾何意義就是在點P的切線,也就是正切值。切線就是觸碰的意思,既然有方向性就有正負,具有矢量性質。要是要求函數的導數存在也就是導數是确唯一的,那上圖做例子,b點左側的到時是負值,右側的導數是正值,從左邊導數和從右邊導數是不相等的,說明在b點導數是不存在的,導數是驗證函數變化方向和變化光滑程度。

函數極限存在和可導的條件(函數的極限連續)5

接下來我們看看可微,可微也就是可以劃分成微小的區域,在一元函數中,也就是可以把曲線切割開來,隻要足夠小,劃分區域就可以等同直線,這就和導數含義一緻了。所以在在一元函數中,可微和可導是等價的

函數極限存在和可導的條件(函數的極限連續)6

函數極限存在和可導的條件(函數的極限連續)7

但是在二元函數中,可微是把曲面劃分成微小的直面,也就是平面,是以直面代替曲面進行計算,利用微平面計算。但是可導呢?可導還是一維産物,是在一個方向的變化程度,一個二維直面和一個一維直線段是不能等價。所以在二元函數中,可微和可導不是等價的。

函數極限存在和可導的條件(函數的極限連續)8

我們來梳理一下,極限、連續、可導、可微的遞進關系:

一個函數點A是可以從左邊和右邊兩個方向求極限的,左極限和右極限可以相等也可以不相等;隻有點A左極限和有限性相等的時候,我們才可以說函數在點A是連續的,連續是個标量,沒有方向,也就是尖角和圓滑角都可以連續;導數是方向,切線,也是有方向的,尖角處左導數和右導數是不相等的,隻有左右導數是相等的才是說明點A處可導;可導是方向是一維空間,可微是微線段、微直面、微立體等等是不同維度的,隻有一維空間的位線段可微和可導是等價的,但是到微直面、微立體的可微是多維度的,不能和一維度的可導等價。

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