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函數(shù)的極限、連續(xù)、可導(dǎo)、可微是怎么層層遞進的

 菌心說 2022-06-16 發(fā)布于北京

之所以寫這篇文章,目的在于縷清函數(shù)極限、連續(xù)、可導(dǎo)、可微內(nèi)在思路,只要思路清晰了,我們才可以做到心里有理有據(jù),大方向不出錯。

函數(shù)的極限、連續(xù)、可導(dǎo)、可微是怎么步步為營,層層遞進的。

首先我們看看極限是怎么提出來的?極限:無限靠近而永遠不能到達,英文名字limit,極限符號就是取縮寫lim,它就是一個符號,意思是自變量x取值靠近一個數(shù),函數(shù)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,只能把曲線不斷分割,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;那怎么更加逼近曲線真是長度呢?只有切割無限多無窮小的直線才可以更真是模擬曲線長度,這里的無窮小,到底是多小呢?在數(shù)字中數(shù)學(xué)0是最小的,無窮小只有無限逼近0但不能等于0,這樣才可以劃分的最小,無窮小是一個動態(tài)的變化的數(shù)值,在數(shù)學(xué)中是不能計算出具體結(jié)果的,于是數(shù)學(xué)家引入一個新的數(shù)學(xué)概念---極限,無窮小的極限等于0,是具體的數(shù)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態(tài)變化的,我們拿0.999...... 數(shù)字9無限循環(huán)下去,這個數(shù)字一直在變化,我們可以取它極限也就是1拿來計算。

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為什么需要求極限,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態(tài)變化過程,不能直接求出精確數(shù)值,只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(shù)的左極限或者右極限。

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有了極限思想,那么函數(shù)的連續(xù)性就自然而然解決了,如果函數(shù)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,那么我們就說函數(shù)在點P處是連續(xù)的,因為無窮小是任意小,只要你想到多小就有多小,中間是沒有縫隙的,也就是說只有P點的左極限和右極限相等時,才能說明函數(shù)是在點P處連續(xù)的,極限唯一確定才連續(xù)。連續(xù)是不管是不是光滑,尖角也可以是連續(xù)的例如圖中點b處。

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有了連續(xù)概念,接下來我需要研究連續(xù)函數(shù)的光滑程度,變化方向,也就是導(dǎo)數(shù),導(dǎo)數(shù)具有導(dǎo)向、向?qū)Шx,也就是表示方向的意思。導(dǎo)數(shù)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(zhì)。要是要求函數(shù)的導(dǎo)數(shù)存在也就是導(dǎo)數(shù)是確唯一的,那上圖做例子,b點左側(cè)的到時是負值,右側(cè)的導(dǎo)數(shù)是正值,從左邊導(dǎo)數(shù)和從右邊導(dǎo)數(shù)是不相等的,說明在b點導(dǎo)數(shù)是不存在的,導(dǎo)數(shù)是驗證函數(shù)變化方向和變化光滑程度。

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接下來我們看看可微,可微也就是可以劃分成微小的區(qū)域,在一元函數(shù)中,也就是可以把曲線切割開來,只要足夠小,劃分區(qū)域就可以等同直線,這就和導(dǎo)數(shù)含義一致了。所以在在一元函數(shù)中,可微和可導(dǎo)是等價的

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但是在二元函數(shù)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(dǎo)呢?可導(dǎo)還是一維產(chǎn)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(shù)中,可微和可導(dǎo)不是等價的。

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我們來梳理一下,極限、連續(xù)、可導(dǎo)、可微的遞進關(guān)系:

一個函數(shù)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;只有點A左極限和有限性相等的時候,我們才可以說函數(shù)在點A是連續(xù)的,連續(xù)是個標量,沒有方向,也就是尖角和圓滑角都可以連續(xù);導(dǎo)數(shù)是方向,切線,也是有方向的,尖角處左導(dǎo)數(shù)和右導(dǎo)數(shù)是不相等的,只有左右導(dǎo)數(shù)是相等的才是說明點A處可導(dǎo);可導(dǎo)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,只有一維空間的位線段可微和可導(dǎo)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(dǎo)等價。

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