淺談分段函數(shù)的計(jì)算

岳紅英

華北電力大學(xué)科技學(xué)院 河北保定 071051

在高等數(shù)學(xué)里有一類(lèi)常見(jiàn)的函數(shù)，它的計(jì)算往往和一般的初等函數(shù)不同，稍有不慎就會(huì)出錯(cuò)，這就是分段函數(shù)。本文通過(guò)比較兩種不同的求解方法對(duì)一元和二元分段函數(shù)在分段點(diǎn)出的求導(dǎo)問(wèn)題進(jìn)行了研究。

一、一元分段函數(shù)導(dǎo)數(shù)的計(jì)算

對(duì)于一般的初等函數(shù)求時(shí)往往用求導(dǎo)公式先求出導(dǎo)函數(shù)，則當(dāng)然定義也是可行的，只是定義用起來(lái)通常比較麻煩。而分段函數(shù)因?yàn)樵诜謹(jǐn)帱c(diǎn)兩側(cè)的函數(shù)表達(dá)式往往不同，所以其在分段點(diǎn)出有可能是不連續(xù)的，此時(shí)分段函數(shù)在分段點(diǎn)出一定不可導(dǎo)。即使分段函數(shù)在分段點(diǎn)出是連續(xù)的，但也不一定就可導(dǎo)，一般需用導(dǎo)數(shù)的定義或可導(dǎo)的充要條件即左右導(dǎo)數(shù)是否相等來(lái)判別其可導(dǎo)性。若直接用求出導(dǎo)函數(shù)代值（或求極限）的方法則有時(shí)會(huì)出錯(cuò)，本文通過(guò)以下實(shí)例對(duì)這兩種方法進(jìn)行了比較和研究，并給出了相應(yīng)的結(jié)論。在分段點(diǎn)以外的開(kāi)區(qū)間則常用初等函數(shù)的求導(dǎo)方法求出其導(dǎo)數(shù)。

例1討論在和處的可導(dǎo)性，并求。

解法一

顯然，所以在處可導(dǎo)且。

綜上所述，即

分析 解法一根據(jù)可導(dǎo)的充要條件即左右導(dǎo)數(shù)是否相等判斷分段點(diǎn)處的可導(dǎo)性是正確的。解法二用導(dǎo)函數(shù)極限法求分段點(diǎn)處的左右導(dǎo)數(shù)求對(duì)了，而′1卻判斷錯(cuò)了，原因是在處是連續(xù)的，再求得分段點(diǎn)兩側(cè)導(dǎo)函數(shù)的極限相等，所以判斷f x在x=0處是可導(dǎo)的。而在處不連續(xù)所以一定是不可導(dǎo)的，雖然和存在且相等，但導(dǎo)數(shù)f′1卻不存在。所以使用導(dǎo)函數(shù)極限法求分段點(diǎn)處的導(dǎo)數(shù)時(shí)前提一定要先判斷該點(diǎn)的連續(xù)性。

例2討論函數(shù)在x=0處的可導(dǎo)性。

解法一 因?yàn)閒 x在兩側(cè)表達(dá)式相同，所以不用分別求左右導(dǎo)數(shù)，直接根據(jù)導(dǎo)數(shù)的定義討論其在x=0處的可導(dǎo)性即可。

不存在，所以f x在x=0處不可導(dǎo)。

分析 解法二是錯(cuò)誤的不存在，不能說(shuō)明就不存在，這時(shí)只能用解法一也就是定義來(lái)判斷分段點(diǎn)處的可導(dǎo)性。

通過(guò)以上兩個(gè)例子的討論可知，存在，右導(dǎo)數(shù)不一定存在，同樣不存在，也不能說(shuō)明就不存在。

二、多元分段函數(shù)的偏導(dǎo)數(shù)的計(jì)算

對(duì)一元函數(shù)來(lái)說(shuō)，可導(dǎo)一定連續(xù)，不連續(xù)一定不可導(dǎo)，但在二元函數(shù)中這一關(guān)系不再成立，函數(shù)連續(xù)與偏導(dǎo)存在之間沒(méi)有必然的聯(lián)系，多元分段函數(shù)是一元分段函數(shù)的推廣，多元分段函數(shù)在分段點(diǎn)處的偏導(dǎo)數(shù)的基本求法是定義，一般不用求出偏導(dǎo)函數(shù)再代值或求極限的方法。

解法二 當(dāng)時(shí)，

且不存在，所以不存在，同理不存在。

分析 解法二是錯(cuò)誤的，和一元分段函數(shù)類(lèi)似，多元分段函數(shù)在分段點(diǎn)處的偏導(dǎo)函數(shù)的極限不存在不能說(shuō)明分段點(diǎn)處的偏導(dǎo)數(shù)值不存在，此時(shí)要用偏導(dǎo)數(shù)的定義來(lái)求。

三、結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)上面幾個(gè)例子的討論，我們可總結(jié)出以下分段函數(shù)分段點(diǎn)處的求導(dǎo)方法：

（1）應(yīng)用導(dǎo)數(shù)的定義或可導(dǎo)的充要條件求分段函數(shù)分段點(diǎn)處的導(dǎo)數(shù)是一種常用且不易

出錯(cuò)的方法，尤其對(duì)初學(xué)者是首選的好辦法。當(dāng)分段函數(shù)在分段點(diǎn)兩側(cè)表達(dá)式相同時(shí)就用導(dǎo)數(shù)的定義求分段點(diǎn)處的導(dǎo)數(shù)。當(dāng)分段函數(shù)在分段點(diǎn)兩側(cè)表達(dá)式不同或者表達(dá)式雖然相同但含有一些比較特殊的左右極限不同的函數(shù)如等函數(shù)時(shí)則需用可導(dǎo)的充要條件即左右導(dǎo)數(shù)是否相等來(lái)判別其可導(dǎo)性。

（2）用導(dǎo)函數(shù)極限法求分段函數(shù)分段點(diǎn)處的導(dǎo)數(shù)時(shí)一定注意條件是否滿(mǎn)足，只有當(dāng)在上連續(xù)，在上 可 導(dǎo)，且（或）時(shí)，。且該條件乃是充分非必要的，若條件不滿(mǎn)足則只能利用導(dǎo)數(shù)的定義或可導(dǎo)的充要條件來(lái)判斷。

參考文獻(xiàn)：

[1]同濟(jì)大學(xué)數(shù)學(xué)系.高等數(shù)學(xué)（第七版）[M].北京:高等教育出版社,2014:78-84.

[2]華南理工大學(xué)數(shù)學(xué)系.高等數(shù)學(xué)教學(xué)輔導(dǎo)書(shū)[M].北京:高等教育出版社,2010:54-58.

[3]程黃金,陳偉.分段函數(shù)求導(dǎo)問(wèn)題的多種解法[J].中國(guó)科技信息,2006,(16).

[4]劉其林,唐亮.一種分段函數(shù)分段點(diǎn)的求導(dǎo)方法及注意的問(wèn)題[J].株洲師范高等專(zhuān)科學(xué)校學(xué)報(bào),2007(4).

[5]劉秀麗,張長(zhǎng)耀.分段函數(shù)有關(guān)問(wèn)題的探究[J].佳木斯教育學(xué)院學(xué)報(bào),2013(9).

[6]陳佩樹(shù).分段函數(shù)在分段點(diǎn)的求導(dǎo)[J].巢湖學(xué)院學(xué)報(bào),2011(13).