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高级绘图

如何在线绘制分段函数

分段函数在定义域的不同部分使用不同的解析式。真正的难点通常不是画出每个解析式,而是为每个分支应用正确的区间,并明确表示分界点是否包含在该分支中。

快捷方法:为每个分支添加一个函数对象,将对象限制在题目给定的区间内;若图像需要明确表示端点是否取到,再添加空心点或实心点。

1. 逐个分支读取函数定义

例如

\[f(x)=\begin{cases}x^2,&x<0,\\2x+1,&x\ge 0.\end{cases}\]

第一个分支是抛物线 \(y=x^2\) 的左半部分。第二个分支是直线 \(y=2x+1\) 中从 \(x=0\) 开始的部分。若把整条抛物线和整条直线都画出来,就会得到错误的图像,因为每条规则只在各自的区间内有效。

2. 为每个分支建立受限图像

  1. 打开在线绘图计算器
  2. 添加第一个函数并输入 x^2
  3. 使用函数的区间或条件设置,只保留 \(x<0\) 的部分。
  4. 添加第二个函数并输入 2*x+1
  5. 将第二个分支限制为 \(x\ge0\)

如果当前绘图模式允许直接输入条件,可以直接使用这些不等式;否则,把各分支作为独立对象并分别设置定义域限制,会更清楚,也更便于修改。

3. 正确处理空心端点和实心端点

\(x=0\) 处,第一个分支趋近于 \(0\),但由于条件是严格不等式,因此不包含该点。第二个分支包含 \(x=0\),所以 \(f(0)=1\)

  • \((0,0)\) 处放置空心点,表示该端点不包含在第一个分支中。
  • \((0,1)\) 处放置实心点,表示该端点包含在第二个分支中。

即使曲线较粗或观察窗口较小,这些端点标记也能清楚显示函数发生了跳跃。

4. 在每个分界点检查连续性

在分界点 \(x=a\) 处,应比较

\[\lim_{x\to a^-}f(x),\qquad \lim_{x\to a^+}f(x),\qquad f(a).\]

在本例中,零点处的左极限为 \(0\),右极限为 \(1\),并且 \(f(0)=1\)。由于两个单侧极限不相等,函数在零点处存在跳跃间断。

5. 一个连续的分段函数示例

再考虑

\[g(x)=\begin{cases}x+2,&x<1,\\x^2,&x\ge1.\end{cases}\]

左侧函数值趋近于 \(3\),而右侧分支从 \(1\) 开始,因此这个函数并不连续。若要让两个分支相接,可将第二个分支改为 \((x-1)^2+3\)。这样两侧都会在 \((1,3)\) 处相接。

常见错误

  • 把每个解析式都画在整个实数轴上。
  • 误用 \(<\),而定义要求使用 \(\le\),或反过来。
  • 把端点标记放在错误的分支上。
  • 仅因为当前缩放比例下两个分支看起来很接近,就认为函数连续。
  • 忽略定义域中可能存在没有任何分支适用的空缺区间。

导出清晰的结果

相邻分支可使用对比明显的颜色,端点标记应足够大以便看清;如果图像之后需要放大,优先导出 SVG。若将来还要修改区间,也应同时保存 OGP 项目。

接下来可阅读如何区分可去间断、跳跃间断和无穷间断,或复习如何从图像判断定义域和值域