证明函数连续是考研数学分析中的重要内容,主要分为以下三个步骤:
函数$f(x)$在点$x = a$处连续,当且仅当以下三个条件同时满足:
函数在点$a$处有定义
即$f(a)$存在且有限。
左极限与右极限存在且相等
$lim{x to a^-} f(x) = lim{x to a^+} f(x)$。
极限值等于函数值
$lim_{x to a} f(x) = f(a)$。
利用初等函数的性质
若$f(x)$是初等函数,则其定义区间内连续。
导数法(可导必连续)
若$f(x)$在点$a$可导,则$f'(a)$存在,函数在该点连续。
极限定义法
通过$epsilon-delta$定义证明:
$$forall epsilon > 0, exists delta > 0 text{ 使得 } |x - a| < delta Rightarrow |f(x) - f(a)| < epsilon$$。
分段函数处理
分段函数需分别验证各段连续性;
在分段点处需单独验证左右极限是否等于该点函数值。
例1:证明$f(x) = x^2$在$[0, +infty)$连续
初等函数性质 :$x^2$是基本初等函数,其定义域内连续。
例2:证明分段函数连续性
$$f(x) = begin{cases}
x + 1, & x geq 0
x - 1, & x < 0
end{cases}$$
分段点验证 :
$x = 0$处,$lim{x to 0^-} f(x) = -1 = f(0)$,$lim{x to 0^+} f(x) = 1 = f(0)$,满足条件。
例3:利用导数证明连续性
证明$f(x) = sin x$在$x = frac{pi}{2}$连续:
导数存在性 :$f'(frac{pi}{2}) = cosfrac{pi}{2} = 0$,由可导必连续定理得证。
闭区间上连续函数的性质 :若函数在闭区间$[a, b]$上连续,则必存在最大值和最小值(最值定理)。
一致连续性 :若函数在闭区间上连续,则一致连续(需进一步学习)。
通过以上方法,结合具体函数类型选择证明策略,可系统解决连续性证明问题。