一点处连续与存在的区别:连续性要考虑“邻居”,存在性只需要考虑“自己”

一、题目题目 - 荒原之梦

难度评级:

二、解析 解析 - 荒原之梦

存在性的判断

本题 A, B, C 选项都是在问我们一阶导 $f^{\prime}(x)$ 和二阶导 $f^{\prime \prime}(x)$ 在 $x = 0$ 这个点处的存在性。

对于一点处导数或者函数值的存在性问题,我们直接利用相关公式或定理,对这一点处的导数值或者函数值进行计算即可,如果能得出一个常数值,就是存在的,否则,就是不存在的。

首先,有题目可知:

$$
f(x) = \ln \left(1+x^{\frac{2}{3}}\right) – x^{\frac{2}{3}}
$$

于是:

$$
\begin{aligned}
\textcolor{springgreen}{f(0)} \\
& = \ln (1 + 0) – 0 \\
& = \textcolor{springgreen}{0}
\end{aligned}
$$

同时,由于接下来的计算中会用到洛必达法则,所以,在这里我们首先利用求导公式计算一下当 $x \neq 0$ 时 $f^{\prime}(x)$ 的表达式:

$$
\begin{aligned}
\textcolor{springgreen}{f^{\prime}(x)} \\
& = \left[ \ln \left(1+x^{\frac{2}{3}}\right) – x^{\frac{2}{3}} \right]^{\prime} \\ \\
& = \frac{1}{1+x^{\frac{2}{3}}} \cdot \frac{2}{3 \sqrt[3]{x}} – \frac{2}{3 \sqrt[3]{x}} \\ \\
& = \textcolor{springgreen}{\frac{2}{3 \sqrt[3]{x}} \left( \frac{1}{1+x^{\frac{2}{3}}} – 1 \right)}
\end{aligned}
$$

于是,对于一阶导,由一点处导数的定义可得:

$$
\begin{aligned}
\textcolor{springgreen}{f^{\prime}(0)} \\ \\
& = \lim \limits_{x \rightarrow 0} \frac{f(x)-f(0)}{x – 0} \\ \\
& = \lim \limits_{x \rightarrow 0} \frac{\ln \left(1+x^{\frac{2}{3}}\right)-x^{\frac{2}{3}}}{x} \\ \\
& \underrightarrow{\text{洛必达运算 \ }} \lim \limits_{x \rightarrow 0} \frac{2}{3 \sqrt[3]{x}}\left(\frac{1}{1+x^{\frac{2}{3}}}-1\right) \\ \\
& = \lim \limits_{x \rightarrow 0} \frac{2}{3 x^{\frac{1}{3}}} \cdot \frac{\textcolor{red}{-x^{\frac{2}{3}}}}{1+x^{\frac{2}{3}}} \\ \\
& = \textcolor{red}{\frac{-2}{3}} \lim \limits_{x \rightarrow 0} \frac{x^{\frac{1}{3}}}{1+x^{\frac{2}{3}}} \\ \\
& = \textcolor{red}{\frac{-2}{3}} \cdot \frac{0}{1 + 0} \\ \\
& = \textcolor{springgreen}{0}
\end{aligned}
$$

对于二阶导,由一点处导数的定义可得:

$$
\begin{aligned}
f^{\prime \prime}(0) \\ \\
& = \lim \limits_{x \rightarrow 0} \frac{f^{\prime}(x)-f^{\prime}(0)}{x – 0} \\ \\
& = \lim \limits_{x \rightarrow 0} \frac{\frac{2}{3 \sqrt[3]{x}} \left( \frac{1}{1+x^{\frac{2}{3}}} – 1 \right)}{x} \\ \\
& = \lim \limits_{x \rightarrow 0} \frac{\frac{-2}{3} x^{\frac{1}{3}} \cdot \frac{1}{1+x^{\frac{2}{3}}}}{x} \\ \\
& = \frac{-2}{3} \lim \limits_{x \rightarrow 0} \frac{x^{\frac{1}{3}}}{1+x^{\frac{2}{3}}} \cdot \frac{1}{x} \\ \\
& = \frac{-2}{3} \lim \limits_{x \rightarrow 0} \frac{x^{\frac{1}{3}} \cdot x^{\frac{2}{3}}}{x^{\frac{2}{3}}\left( 1+x^{\frac{2}{3}} \right)} \cdot \frac{1}{x} \\ \\
& = \frac{-2}{3} \lim \limits_{x \rightarrow 0} \frac{1}{x^{\frac{2}{3}}\left(1+x^{\frac{2}{3}}\right)} \\ \\
& = \frac{-2}{3} \cdot \frac{1}{0} \\ \\
& = \infty
\end{aligned}
$$

至此,我们已经知道,$f^{\prime}(0)$ 存在,但 $f^{\prime \prime}(0)$ 不存在,所以,对于单选题而言,我们在这里可以直接判断出 C 选项正确。

但是,如果是出于练习目的,我们还是要看一下 D 选项为什么不正确。

连续性的判断

由于连续性是建立在一个领域上的概念,因此,对于邻域的判断我们就不能像前面一样考虑“一点处的导数值”了,而应该检查“一点处的导数值”与“该点附近的导数值”是否相等:

$$
\begin{aligned}
\lim \limits_{x \rightarrow 0} f^{\prime}(x) \\ \\
& = \lim \limits_{x \rightarrow 0} \frac{2}{3 \sqrt[3]{x}}\left(\frac{1}{1+x^{\frac{2}{3}}}-1\right) \\ \\
& = \frac{-2}{3} \lim \limits_{x \rightarrow 0} \frac{x^{\frac{1}{3}}}{1+x^{\frac{2}{3}}} \\ \\
& = \frac{-2}{3} \cdot \frac{0}{1+0} \\ \\
& = 0 \\ \\
& = f^{\prime}(0)
\end{aligned}
$$

于是可知,$f^{\prime}(x)$ 在 $x=0$ 处连续,选项 D 不正确。

综上可知, C 荒原之梦考研数学 | 本文结束


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