微积分 · 追问笔记
THE CALCULUS LIFESAVER / 第 5 章

连续性与可导性

用极限定义理解连续和导数,区分存在性定理的条件与结论。

4 组核心追问3 组练习原书 pp. 75–98

先修:第 3–4 章:极限

这一章怎么读
  1. 先看问题,暂停一下,用自己的话作答。
  2. 卡住时只展开提示,再阅读推理与公式。
  3. 独立做三组练习;隔一天不看解答重做错题。

建议将一章分成数次学习;以能解释理由、独立做题为进度标准。

本章目录5.1 连续与区间5.1.4–5.1.6 介值与最值5.2.1–5.2.7 从速度到导数5.2.8–5.2.11 高阶导数与不可导
追问 01

5.1 连续与区间

“一笔画出图像”有哪些不可靠之处?

先看一个提示

考虑定义域不包含零的倒数函数。

展开推理与讲解

点连续要求函数值存在、极限存在且二者相等。端点用定义域内的单侧极限。多项式处处连续,有理式在分母非零处连续,复合需各层有定义。1/x1/x 在自身定义域每一点连续;它在零处未定义,不能说在零处连续。

limxaf(x)=f(a)\lim_{x\to a}f(x)=f(a)
追问 02

5.1.4–5.1.6 介值与最值

两端异号为什么能保证中间有根?

先看一个提示

连续函数能否不经过零就从负变正?

展开推理与讲解

介值定理要求闭区间连续,保证端点值之间每个值至少取得一次,不保证唯一。闭区间连续函数还必有最大值和最小值;开区间或无界区间不能照搬。证明唯一性需要单调性等额外理由。

f(a)f(b)<0c(a,b):f(c)=0f(a)f(b)<0\Longrightarrow\exists c\in(a,b):f(c)=0
追问 03

5.2.1–5.2.7 从速度到导数

平均速度如何变成某一时刻的速度?

先看一个提示

让测量时间间隔缩短,而不是直接把它设为零。

展开推理与讲解

位置差除以时间差是平均速度,极限是瞬时速度。几何上割线斜率趋于切线斜率。导数是局部输出增量与输入增量的比例,因此既是斜率也是变化率。位移可带负号,路程与速率非负。

f(a)=limh0f(a+h)f(a)hf'(a)=\lim_{h\to0}\frac{f(a+h)-f(a)}h
追问 04

5.2.8–5.2.11 高阶导数与不可导

连续曲线为什么仍可能没有导数?

先看一个提示

尖角两侧的割线斜率是否趋于同一个有限值?

展开推理与讲解

直线导数为常数,二阶导数衡量一阶变化率怎样变化。尖角、竖直切线和不连续点都可能使有限导数不存在。可导必连续,因为函数增量可写成差商乘 hh;反向不成立。可导也不保证导数连续,后面会遇到实例。

f(a+h)f(a)=f(a+h)f(a)hh0f(a+h)-f(a)=\frac{f(a+h)-f(a)}h\,h\to0
动手观察

切线实验:移动切点

绿色是平方函数,金色是当前切线。先预测切线斜率,再拖动。

图示用于形成猜想;严谨结论请结合本章定义、公式与证明。

本章练习 · 先尝试,再揭示

本书没有独立章末习题集。以下明确区分原书例题、正文结论改编及补充自测;页码是印刷页码,链接另标 PDF 页序。延伸问法已在题目或解答中说明。

练习 1 / 3

原书例子改为练习 · 5.2.10 · 原书 p. 95(PDF 第 120 页)↗

证明 f(x)=xf(x)=\lvert x\rvert 在 0 连续,但不可导。

写下我的思路
提示一 · 从哪里开始

连续看函数值;可导看差商。

提示二 · 关键转折

f(0)=0f(0)=0,而差商是 h/h\lvert h\rvert/h

参考解答 · 完成尝试后再展开

x0=f(0)\lvert x\rvert\to0=f(0),故连续。右差商恒为 1,左差商恒为 -1,极限不相等,因此不可导。图像的尖角体现两种不同的切线方向。

练习 2 / 3

原书推导改为练习 · 5.2.6 · 原书 p. 90(PDF 第 115 页)↗

从定义求 f(x)=x2f(x)=x^2 的导数,并解释答案的几何意义。

写下我的思路
提示一 · 从哪里开始

(x+h)2x2(x+h)^2-x^2 展开。

提示二 · 关键转折

消去 hh 后再取极限。

参考解答 · 完成尝试后再展开

差商为 (2xh+h2)/h=2x+h(2xh+h^2)/h=2x+h,因此 f(x)=2xf'(x)=2x。抛物线在 (a,a2)(a,a^2) 的切线斜率为 2a2a,切线方程是 ya2=2a(xa)y-a^2=2a(x-a)

练习 3 / 3

补充自测 · 对应 5.1.4 · 本笔记编写

证明 x3+x1=0x^3+x-1=0(0,1)(0,1) 至少有一个解;你现在能否仅凭介值定理宣布唯一?

写下我的思路
提示一 · 从哪里开始

计算两端函数值。

提示二 · 关键转折

定理只回答“有没有”,不回答“有几个”。

参考解答 · 完成尝试后再展开

多项式连续,f(0)=1,f(1)=1f(0)=-1,f(1)=1,介值定理保证一个内部零点。唯一性不能由该定理单独推出;学过单调性后可用 f(x)=3x2+1>0f'(x)=3x^2+1>0 证明。

学习闭环

过关自查

写一段自己的章节总结

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