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高级绘图

如何识别空洞、跳跃和无穷间断

若函数在 \(x=a\) 处不连续,就说它在该点发生间断。函数在该点连续必须同时满足三个条件:

  1. \(f(a)\) 存在;
  2. \(\lim_{x\to a}f(x)\) 存在;
  3. \(\lim_{x\to a}f(x)=f(a)\)

不同条件的失效会产生不同类型的间断。

1. 可去间断:图像上的空洞

考虑

\[f(x)=\frac{x^2-1}{x-1}.\]

\(x\ne1\) 时,表达式可化简为 \(x+1\),但原函数在 \(x=1\) 处没有定义。它的图像是直线 \(y=x+1\),并在 \((1,2)\) 处有一个空洞。

极限存在:

\[\lim_{x\to1}\frac{x^2-1}{x-1}=2,\]

\(f(1)\) 不存在。如果补充定义 \(f(1)=2\),这个间断就可以消除。

2. 跳跃间断

对于

\[g(x)=\begin{cases}x+1,&x<0,\\x+3,&x\ge0,\end{cases}\]

两个单侧极限为

\[\lim_{x\to0^-}g(x)=1,\qquad \lim_{x\to0^+}g(x)=3.\]

由于两个单侧极限都是有限值但彼此不相等,双侧极限不存在,图像会从一个高度跳到另一个高度。

3. 无穷间断

对于 \(h(x)=1/(x-2)\),函数在 \(x=2\) 附近无界增大:

\[\lim_{x\to2^-}h(x)=-\infty,\qquad \lim_{x\to2^+}h(x)=+\infty.\]

直线 \(x=2\) 是竖直渐近线,函数在该点存在无穷间断。

4. 振荡间断

并非所有不可去间断都是跳跃间断或竖直渐近线。例如函数

\[q(x)=\sin\left(\frac1x\right),\qquad x\ne0,\]

\(x\to0\) 时会无限次振荡。函数值既不趋近于某个确定的数,也不趋近于某一个无穷,因此极限不存在。

5. 可靠的分类步骤

  1. 检查解析式在 \(x=a\) 处是否有定义。
  2. 分别计算或估计左极限和右极限。
  3. 若两个单侧极限相等且为有限值,将这个共同极限与 \(f(a)\) 比较。
  4. 若两个单侧极限都是有限值但不相等,判定为跳跃间断。
  5. 若任一侧无界,判定为无穷间断。
  6. 若函数值持续振荡而不趋于稳定,判定为振荡间断。

6. 绘图时的注意事项

如果采样间隔过大,绘图程序可能会错误地跨过一个很窄的间断点并连接两侧。应在可疑的 x 值附近放大图像,并用解析极限确认。可去间断的空洞可能很难看清,需要添加空心点标记;竖直渐近线也应与斜率很大但仍为有限值的曲线段区分开来。

可使用绘图计算器比较这些示例。若要了解如何逐步建立各分支,请阅读分段函数;若要学习竖直渐近线,请参阅渐近线指南