一元分段函數(shù)的使用

房喜明　宋華兵

【摘要】在一元微積分中，分段函數(shù)是非常重要的一類函數(shù)，恰當(dāng)?shù)厥褂靡恍┓侄魏瘮?shù)作為例子有利于一些數(shù)學(xué)概念和定理的理解和掌握.本文給出一些使用分段函數(shù)的正面和反面情況和實(shí)例.

【關(guān)鍵詞】分段函數(shù)；極限；連續(xù)的；可導(dǎo)的；可積的

【中圖分類號(hào)】O17 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】QK20160412001

一、引 言

分段函數(shù)在高等數(shù)學(xué)中非常重要，典型的分段函數(shù)有取整函數(shù)、狄利克雷函數(shù)（參見(jiàn)[1]、[2]、[3]）等，還可以根據(jù)需要定義一些分段函數(shù).極限、連續(xù)、可導(dǎo)、可積等概念，復(fù)合函數(shù)求極限的理論以及閉區(qū)間上連續(xù)函數(shù)的性質(zhì)和微分中值定理等理論是高等數(shù)學(xué)中的重要知識(shí)點(diǎn)，在這些數(shù)學(xué)問(wèn)題中恰當(dāng)?shù)厥褂靡恍┓侄魏瘮?shù)十分有必要.在信號(hào)處理與恢復(fù)的實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)常使用一些分段函數(shù)產(chǎn)生小波基（參見(jiàn)[4]）.在數(shù)值逼近中，也經(jīng)常使用由一次或二次多項(xiàng)式構(gòu)成的分段函數(shù) （參見(jiàn)[5]）.因此對(duì)分段函數(shù)的研究和掌握不僅具有理論價(jià)值也有實(shí)際意義.本文主要討論高等數(shù)學(xué)中使用分段函數(shù)的情形，根據(jù)分段函數(shù)所起的作用，論述分正面和反面兩種情況.

二、主要內(nèi)容

首先討論分段函數(shù)正面使用的情況，之后討論反面的情況.

1.正面情況

（1）在理解一元函數(shù)的連續(xù)性和可導(dǎo)性的方面，可以舉一個(gè)正面的例子.例如：

設(shè)f（x）=ex+b，x∈[0，1]，asinx+1，x∈[-1，0）.

（1）討論f（x）在點(diǎn)x=0連續(xù)時(shí)需滿足的條件；

（2）討論f（x）在點(diǎn)x=0可導(dǎo)時(shí)需滿足的條件；

（3）f（x）在點(diǎn)x=0可導(dǎo)時(shí)，給出函數(shù)f（x）在區(qū)間[-1，1]上的導(dǎo)數(shù) （其中在端點(diǎn)處的導(dǎo)數(shù)是指單側(cè)導(dǎo)數(shù)）.

掌握這個(gè)例子的求解有助于對(duì)于一些概念的理解，如函數(shù)在一點(diǎn)處的連續(xù)性、可導(dǎo)性及其關(guān)系，單側(cè)極限、單側(cè)可導(dǎo)、求導(dǎo)方法等，這些概念和知識(shí)點(diǎn)是非常重要的.這樣類型題目一般是要求學(xué)生必須掌握的.

（2）函數(shù)極值點(diǎn)和極值概念（參見(jiàn)[2]）在高等數(shù)學(xué)中非常重要，為使學(xué)生理解好這一概念，可以給出一個(gè)分段函數(shù)的例子，例如：

f（x）=ex-1，x∈（0，1]，1，x=0，x2，x∈（-1，0），1，x∈（-2，-1]，（x+3）2，x∈[-4，-2]..

問(wèn)題：找出極值點(diǎn)（答案是：極大值點(diǎn)x=0； 極小值點(diǎn)x=-3）.這個(gè)例子結(jié)合圖像說(shuō)明非常有利于學(xué)生掌握極值點(diǎn)及極值概念.

關(guān)于分段函數(shù)其他的正面例子還有很多，例如在用定義limn→∞xn=A時(shí)（參見(jiàn)[1]），需要確定一個(gè)正整數(shù)N，使得n>N時(shí)，恒有xn-A<ε成立，其中N值的確定一般要用到取整函數(shù).

2.反面情況

（1）關(guān)于函數(shù)在一點(diǎn)處的極限問(wèn)題，有一個(gè)重要的知識(shí)點(diǎn)，即“函數(shù)在一點(diǎn)處的極限與函數(shù)在該點(diǎn)處的函數(shù)值沒(méi)有關(guān)系”.為此，可以舉一個(gè)分段函數(shù)的反例幫助理解這一思想.例如：

函數(shù)f（x）=x2，x≠0，-1，x=0在點(diǎn)x=0處極限是0，而函數(shù)值是1.

（2）關(guān)于函數(shù)在一點(diǎn)處的連續(xù)性和可導(dǎo)性的關(guān)系，我們知道是前者不能推出后者，但后者可以推出前者，也即可導(dǎo)必連續(xù)，但連續(xù)未必可導(dǎo).為理解好這一思想，可以舉一個(gè)分段函數(shù)的反例.如：

函數(shù)f（x）=x2，x≥0-x，x<0在點(diǎn)x=0處連續(xù)，但是不可導(dǎo).當(dāng)然也有初等函數(shù)的反例，如函數(shù)f（x）=x13也在點(diǎn)x=0處連續(xù)，但是不可導(dǎo).

（3）復(fù)合函數(shù)求極限的運(yùn)算法則（參見(jiàn)[2]），即設(shè)函數(shù)y=f[g（x）]是由函數(shù)u=g（x）與函數(shù)y=f（u）復(fù)合而成，y=f[g（x）]在點(diǎn)x0的某去心鄰域內(nèi)有定義，若limx→x0g在該法則中，條件“且存在δ0>0，使得當(dāng)x∈Uo（x0，δ0）時(shí)，有g(shù)（x）≠u0”不可缺少.為此可以給出一個(gè)分段函數(shù)的反例：

y=f（u）=2，u=1，u，u≠1，u=g（x）=x0，x≠0.

顯然，函數(shù)y=f[g（x）]在點(diǎn)x0=2的某去心鄰域內(nèi)有定義，并且limx→2g（x）=1，limu→1f（u）=1.因此，若不考慮上述條件而直接按照復(fù)合函數(shù)求極限的上述法則求極限，會(huì)有

實(shí)際上y=f[g（x）]=f（1）≡2，x≠0，因此limx→2f[g（x）]=2.導(dǎo)致錯(cuò)誤的原因是該復(fù)合函數(shù)并不滿足該求極限法則的條件.可見(jiàn)，這個(gè)反例有助于明確該條件的重要性.

（4）閉區(qū)間[a，b]上連續(xù)函數(shù)的性質(zhì)非常重要，如有界性、最值性、零點(diǎn)定理和介值性等.其中閉區(qū)間和連續(xù)這兩個(gè)條件要求是不可缺少的，若缺少一個(gè)，則結(jié)論有可能不成立.為更好地理解這兩個(gè)成立條件，可以適當(dāng)舉一些分段函數(shù)的反例.例如關(guān)于介值性，可以給一個(gè)反例.如：

設(shè)f（x）=x2，x∈[-1，0）∪（0，1]，

-1，x=0.

則該函數(shù)的最大和最小值分別是1和-2，但不滿足介值性，因?yàn)閰^(qū)間（0，-1）內(nèi)的任何值都不是函數(shù)值.

（5）在求極值點(diǎn)或圖像上拐點(diǎn)的時(shí)候，對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)，往往首先想到要利用求導(dǎo)，并尋找駐點(diǎn)和二階導(dǎo)數(shù)為零的點(diǎn).雖然有知識(shí)點(diǎn)“駐點(diǎn)和不可導(dǎo)點(diǎn)是可能的極值點(diǎn)； 二階導(dǎo)數(shù)為零的點(diǎn)和二階導(dǎo)數(shù)不存在的點(diǎn)是圖像上可能拐點(diǎn)的橫坐標(biāo)”，但對(duì)于不可導(dǎo)點(diǎn)或二階導(dǎo)數(shù)不存在的點(diǎn)的考察容易被忽略.為此，舉一些分段函數(shù)的正面和反面例子有助于掌握該類問(wèn)題的處理方法.例子可分幾種類型：駐點(diǎn)是（或不是）極值點(diǎn)； 不可導(dǎo)點(diǎn)是（或不是）極值點(diǎn)； 二階導(dǎo)數(shù)為零的點(diǎn)是（或不是）圖像上拐點(diǎn)的橫坐標(biāo)； 二階導(dǎo)數(shù)不存在的點(diǎn)是（或不是）圖像上拐點(diǎn)的橫坐標(biāo).下面給出二階導(dǎo)數(shù)不存在而判斷拐點(diǎn)問(wèn)題的兩個(gè)例子.設(shè)

則f1（x），f2（x）在區(qū)間[-1，1]上均連續(xù)，在點(diǎn)x=0處都沒(méi)有二階導(dǎo)數(shù)，其中f1（x）在點(diǎn)x=0處是一階可導(dǎo)的，而f2（x）在點(diǎn)x=0處是一階不可導(dǎo)的.因此，可知點(diǎn)x=0是這兩個(gè)函數(shù)的圖像上可能的拐點(diǎn)的橫坐標(biāo).再進(jìn)一步考察可知，點(diǎn)（0，1）是f2（x）圖像上的拐點(diǎn)，不是f1（x）圖像上的拐點(diǎn).

（6）微分中值定理的成立條件非常重要.為更好地理解和掌握這些成立條件，可以給出一些分段函數(shù)的反例用以加深印象.例如關(guān)于羅爾定理（參見(jiàn)[1]、[2]、[3]），可給出函數(shù)

f（x）=ex-1，x∈（0，1]，（e-1）x2，x∈[-1，0].

此函數(shù)雖然滿足羅爾定理的條件（1）和（3），但因?yàn)闂l件（2）不滿足，使得結(jié)論不成立.其他的如拉格朗日中值定理和柯西中值定理也可以構(gòu)造分段函數(shù)的反例.

（7）定積分是一個(gè)既難理解而又非常重要的概念.為更好地讓學(xué)生掌握這一概念，可以舉一個(gè)分段函數(shù)的反例.例如可考慮狄利克雷函數(shù)D（x），該函數(shù)在區(qū)間[a，b]上不滿足定積分存在的定義.這一反例的給出不但有利于學(xué)生對(duì)于定積分概念中條件“如果不論對(duì)[a，b]怎樣劃分，也不論在小區(qū)間[xi-1，xi]上點(diǎn)ξi怎樣選取，只要當(dāng)λ→0時(shí)，和S總趨于確定的極限I，那么稱這個(gè)極限I為函數(shù)f（x）在區(qū)間[a，b]上的定積分（參見(jiàn)[1]、[2]、[3]）”的理解，而且也便于接下來(lái)順勢(shì)給出兩類可積分的函數(shù)，即閉區(qū)間[a，b]上的連續(xù)函數(shù)和只有有限個(gè)間斷點(diǎn)的有界函數(shù)是可積的.

以上討論了分段函數(shù)作為反例的7種情形，其他情形還有很多，例如為更好地掌握凸（或凹）函數(shù)定義中的嚴(yán)格不等式要求（參見(jiàn)[1]），可以舉由一條或兩條直線構(gòu)成的分段函數(shù)的反例等.舉反例的目的是為幫助理解和掌握一些概念和定理等，雖然關(guān)注的有些只是一些細(xì)節(jié)性的知識(shí)點(diǎn)，但對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)思維是非常必要的.

三、結(jié)束語(yǔ)

本文主要討論一元分段函數(shù)作為例子使用的情形.實(shí)際上，對(duì)于多元微積分，也有構(gòu)造分片函數(shù)例子的情形，如理解偏導(dǎo)存在與連續(xù)的關(guān)系，多元函數(shù)在一點(diǎn)處極限存在概念等（參見(jiàn)[1]、[2]、[3]）.可以看出分段（片）函數(shù)在微積分中作用比較大，有時(shí)具有一般的初等函數(shù)所無(wú)法替代的地位，在教學(xué)中如果能恰當(dāng)?shù)厥褂梅侄魏瘮?shù)作為例子是十分有意義的.

【參考文獻(xiàn)】

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[5]Richard L Burden，J Douglas Faires.Numerical Analysis[M].Higher Education Press，2003.