📋 详细解题步骤
目标:找出所有间断点
首先,分析函数 $f(x)=\frac{x-\tan x}{\sin(\pi x)}$ 的间断点。间断点可能出现在分母为零或函数无定义的位置。分母为 $\sin(\pi x)$,令 $\sin(\pi x)=0$,解得 $\pi x = k\pi$,即 $x = k$,其中 $k \in \mathbb{Z}$。因此,所有整数点 $x = \ldots, -2, -1, 0, 1, 2, \ldots$ 都是分母为零的点,这些点使得函数无定义,故为间断点。此外,分子中的 $\tan x$ 在 $x = \frac{\pi}{2} + n\pi$($n \in \mathbb{Z}$)处也无定义,但这些点与分母零点 $x = k$ 不同,需在后续步骤中进一步判断是否属于间断点。本步骤仅根据分母为零的条件,初步确定所有整数点 $x = k$($k \in \mathbb{Z}$)为间断点。
公式:$$\sin(\pi x)=0 \Rightarrow \pi x = k\pi \Rightarrow x=k,\ k\in\mathbb{Z}$$
提示:先找分母零点,再单独检查分子中其他无定义点。
目标:计算x=0处的极限
我们需要计算函数在$x=0$处的极限。给定的函数为$f(x)=\frac{x-x^3}{\sin(\pi x)}$。当$x\to 0$时,分母$\sin(\pi x)$是无穷小量,分子$x-x^3$也是无穷小量,因此这是一个$\frac{0}{0}$型未定式。利用等价无穷小替换:当$u\to 0$时,$\sin u \sim u$。这里$u=\pi x$,所以当$x\to 0$时,$\sin(\pi x) \sim \pi x$。于是极限可以化简为:
$$
\lim_{x\to 0} \frac{x-x^3}{\sin(\pi x)} = \lim_{x\to 0} \frac{x-x^3}{\pi x} = \lim_{x\to 0} \frac{x(1-x^2)}{\pi x} = \lim_{x\to 0} \frac{1-x^2}{\pi}.
$$
由于$x\to 0$时,$x^2\to 0$,因此$1-x^2\to 1$,所以极限值为$\frac{1}{\pi}$。该极限存在且为有限值,故$x=0$是函数的可去间断点。注意,在替换过程中,我们要求等价无穷小替换在乘除运算中有效,这里分子分母均为乘积形式,替换是合法的。
公式:$$\lim_{x\to 0} \frac{x-x^3}{\sin(\pi x)} = \lim_{x\to 0} \frac{x-x^3}{\pi x} = \frac{1}{\pi}$$
提示:注意等价无穷小替换只能在乘除因子中使用,且必须确保替换后的极限存在。
目标:判断其他整数点
现在考虑其他整数点 $x=k$,其中 $k \neq 0, \pm 1$。对于这些点,分子 $\sin(\pi x)$ 在 $x=k$ 处的值为 $\sin(k\pi)=0$,但分母 $x(x-1)(x+1)$ 在 $x=k$ 处不为零(因为 $k \neq 0, \pm 1$),因此分子不为0而分母为0,极限为无穷大。具体地,当 $x \to k$ 时,$\sin(\pi x) \sim (-1)^k \pi (x-k)$(利用正弦函数的泰勒展开),而分母 $x(x-1)(x+1)$ 在 $x=k$ 处非零,故极限为 $\infty$,属于第二类间断点(无穷间断点),不是可去间断点。因此,只有 $x=0,1,-1$ 这三个点可能是可去间断点。接下来需要验证这三个点是否确实为可去间断点。对于 $x=0$,极限 $\lim_{x \to 0} \frac{\sin(\pi x)}{x(x-1)(x+1)} = \lim_{x \to 0} \frac{\pi x}{x(x-1)(x+1)} = \frac{\pi}{(-1)(1)} = -\pi$,极限存在,故 $x=0$ 是可去间断点。对于 $x=1$,令 $t=x-1$,则 $x=1+t$,$\sin(\pi(1+t)) = \sin(\pi+\pi t) = -\sin(\pi t) \sim -\pi t$,分母 $x(x-1)(x+1) = (1+t) \cdot t \cdot (2+t) \sim 2t$,所以极限 $\lim_{t \to 0} \frac{-\pi t}{2t} = -\frac{\pi}{2}$,极限存在,故 $x=1$ 是可去间断点。对于 $x=-1$,令 $t=x+1$,则 $x=-1+t$,$\sin(\pi(-1+t)) = \sin(-\pi+\pi t) = -\sin(\pi t) \sim -\pi t$,分母 $x(x-1)(x+1) = (-1+t) \cdot (-2+t) \cdot t \sim 2t$,所以极限 $\lim_{t \to 0} \frac{-\pi t}{2t} = -\frac{\pi}{2}$,极限存在,故 $x=-1$ 也是可去间断点。因此,函数 $f(x)=\frac{\sin(\pi x)}{x(x-1)(x+1)}$ 的可去间断点共有3个,分别为 $x=0,1,-1$。最终答案:3个。
公式:\lim_{x \to 0} \frac{\sin(\pi x)}{x(x-1)(x+1)} = -\pi, \quad \lim_{x \to 1} \frac{\sin(\pi x)}{x(x-1)(x+1)} = -\frac{\pi}{2}, \quad \lim_{x \to -1} \frac{\sin(\pi x)}{x(x-1)(x+1)} = -\frac{\pi}{2}
提示:先找出分母为零的点,再逐一判断分子是否也为零,若分子也为零则需计算极限,极限存在即为可去间断点。