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重点难点:函数的四则运算与复合运算的连续性分析

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一、预备说明

设题目中的函数均在所讨论的点处有定义,讨论商函数 在点 处的连续性时,仅有 , 并不能保证商函数在 附近有定义。因为当 在 处不连续时,即使 , 仍然可能在任意靠近 的位置取零。 因此,以下关于商函数的讨论均额外假设:存在 ,使得 ,

基本结论

(1)若 均在点 处连续, 则 ; ; 在点 处也连续.

(2)若 在点 处连续, 在 处连续, 则 在点 处也连续.

问题(1): 连续、 不连续

设 在 处连续, 在 处不连续。

1.

结论: 与 在 处 一 定 不 连 续

如果 在 处连续,那么 应当是两个连续函数之差,从而 在 处连续,这与题设矛盾。

同理,如果 连续,那么 也应当连续,仍然产生矛盾。

因此, 与 都一定不连续。

2.

需要根据 是否等于零进行讨论。

情形一:

结论: 在 处 一 定 不 连 续

如果 连续,由于 连续且 ,所以 在 附近不为零。于是 右侧是连续函数之商,因此 应当连续,与题设矛盾。

情形二:

结论: 的 连 续 性 不 能 确 定

它可能连续,也可能不连续。

可以连续的例子:令 ,取 ,

则 在 处连续, 在 处不连续,而 所以乘积在 处连续。

可以不连续的例子:取 , 则 所以乘积在 处不连续。

3.

假设 ,并且商函数在 附近有定义。

情形一:

结论: 在 处 一 定 不 连 续

反设 在 处连续。因为 所以 在 附近不为零。于是 由于 都连续且 ,所以 应当连续,与题设矛盾。

情形二:

结论: 的 连 续 性 不 能 确 定

可以连续的例子:取 , 则 不连续且处处不为零,但 所以商函数连续。

可以不连续的例子:取 , 则 连续、 不连续,并且 。此时 所以商函数在 处不连续。

问题(2): 与 都不连续

设 在 处都不连续。

结论:仅根据这两个条件,无法确定 、 或 的连续性。不连续性可能相互抵消,也可能不抵消。

以下均取 。

1.

定义 在 处不连续。

和函数可以连续:取 , 则 所以和函数连续。

和函数可以不连续:取 , 则 所以和函数不连续。

因此: 的 连 续 性 不 能 确 定

2.

差函数可以连续:取 , 则

差函数可以不连续:取 , 则 所以差函数不连续。

因此: 的 连 续 性 不 能 确 定

3.

定义

乘积可以连续:取 , 则 所以乘积连续。

乘积可以不连续:取 , 则 所以乘积不连续。

因此: 的 连 续 性 不 能 确 定

4.

假设 ,且 在 的某个邻域内不取零。 定义

商函数可以连续:取 , 则 都不连续,但 所以商函数连续。

商函数可以不连续:取 , 则 都不连续, ,且 处处不为零。但是

所以商函数不连续。

因此: 的 连 续 性 不 能 确 定

问题(3):内函数连续,外函数不连续

已知 在 处连续,而 在 处不连续。

结论: 在 处 的 连 续 性 不 能 确 定

外函数 虽然在 处不连续,但 的局部值域可能没有充分经过 的不连续部分,甚至 可能是常函数。

取 ,定义 则 在 处不连续。

复合函数可以不连续

令 , 则 在 处连续,并且 在 处不连续。

复合函数可以连续

令 , 则 在 处连续,并且 所以复合函数连续。

问题(4):内函数不连续,外函数连续

已知 在 处不连续,而 在 处连续。

结论: 在 处 的 连 续 性 不 能 确 定

外函数可能保留内函数的不连续性,也可能把内函数的不同跳跃值映射成同一个值,从而消除不连续性。

取 ,定义 则 ,并且 在 处不连续。

复合函数可以不连续

取 , 在 处连续,但是 在 处不连续。

复合函数可以连续

取 , 则 所以复合函数连续。

问题(5):内函数与外函数都不连续

已知 在 处不连续, 在 处也不连续。

结论: 在 处 的 连 续 性 不 能 确 定

取 ,定义 则 ,且 在 处不连续。

复合函数可以连续

定义 或 在 处不连续。但是由于 只取 和 ,所以 因此复合函数连续。

复合函数可以不连续

定义 则 在 处不连续,并且 所以复合函数在 处不连续。

结论汇总 1. 四则运算

注:对于商函数,还必须保证 在 的某个邻域内不为零。

2. 复合函数


核心结论

复合函数连续性定理说明: 在 处 连 续 在 处 连 续 能够推出 在 处 连 续

但这是充分条件,并不是一般意义下的必要条件。

当其中一个函数不连续,或者两个函数都不连续时,不能简单断定复合函数一定不连续。此时需要分析:

  1. 当 时, 实际取到或趋近哪些值;

  2. 在这些值上的表现;

  3. 是否把 的不同跳跃值映射为同一个值;

  4. 复合后不连续性是否被抵消。

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