前言:
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函数的极限、连续、可导、可微是怎么步步为营,层层递进的。
首先我们看看极限是怎么提出来的?极限:无限靠近而永远不能到达,英文名字limit,极限符号就是取缩写lim,它就是一个符号,意思是自变量x取值靠近一个数,函数值是多少。
在计算曲线长度的时候,我们不会测量曲线的长度,只能把曲线不断分割,再把分割的线近似等于直线来测量,这样下来我们就可以得到曲线的近似长度;那怎么更加逼近曲线真是长度呢?只有切割无限多无穷小的直线才可以更真是模拟曲线长度,这里的无穷小,到底是多小呢?在数字中数学0是最小的,无穷小只有无限逼近0但不能等于0,这样才可以划分的最小,无穷小是一个动态的变化的数值,在数学中是不能计算出具体结果的,于是数学家引入一个新的数学概念---极限,无穷小的极限等于0,是具体的数值,这样我们就利用无穷小的极限来进行计算了。
为了形象表达极就是动态变化的,我们拿0.999...... 数字9无限循环下去,这个数字一直在变化,我们可以取它极限也就是1拿来计算。
为什么需要求极限,凡是涉及无穷的问题都是需要求极限的问题,因为无穷就是一个动态变化过程,不能直接求出精确数值,只能利用极限思想求值。
极限我们是可以从不同方向求取的,也就是左极限和右极限,如下图我们可以求出一段函数的左极限或者右极限。
有了极限思想,那么函数的连续性就自然而然解决了,如果函数上点P,在P点可以向左移动无穷小,也可以向右边移动无穷小,那么我们就说函数在点P处是连续的,因为无穷小是任意小,只要你想到多小就有多小,中间是没有缝隙的,也就是说只有P点的左极限和右极限相等时,才能说明函数是在点P处连续的,极限唯一确定才连续。连续是不管是不是光滑,尖角也可以是连续的例如图中点b处。
有了连续概念,接下来我需要研究连续函数的光滑程度,变化方向,也就是导数,导数具有导向、向导含义,也就是表示方向的意思。导数几何意义就是在点P的切线,也就是正切值。切线就是触碰的意思,既然有方向性就有正负,具有矢量性质。要是要求函数的导数存在也就是导数是确唯一的,那上图做例子,b点左侧的到时是负值,右侧的导数是正值,从左边导数和从右边导数是不相等的,说明在b点导数是不存在的,导数是验证函数变化方向和变化光滑程度。
接下来我们看看可微,可微也就是可以划分成微小的区域,在一元函数中,也就是可以把曲线切割开来,只要足够小,划分区域就可以等同直线,这就和导数含义一致了。所以在在一元函数中,可微和可导是等价的;
但是在二元函数中,可微是把曲面划分成微小的直面,也就是平面,是以直面代替曲面进行计算,利用微平面计算。但是可导呢?可导还是一维产物,是在一个方向的变化程度,一个二维直面和一个一维直线段是不能等价。所以在二元函数中,可微和可导不是等价的。
我们来梳理一下,极限、连续、可导、可微的递进关系:
一个函数点A是可以从左边和右边两个方向求极限的,左极限和右极限可以相等也可以不相等;只有点A左极限和有限性相等的时候,我们才可以说函数在点A是连续的,连续是个标量,没有方向,也就是尖角和圆滑角都可以连续;导数是方向,切线,也是有方向的,尖角处左导数和右导数是不相等的,只有左右导数是相等的才是说明点A处可导;可导是方向是一维空间,可微是微线段、微直面、微立体等等是不同维度的,只有一维空间的位线段可微和可导是等价的,但是到微直面、微立体的可微是多维度的,不能和一维度的可导等价。
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