kaoyan2advanced 高等数学 第179题

教材习题

📝 题目

### 第179题

讨论函数 $\displaystyle f(x)=\left\{\begin{array}{ll}\frac{x\left(x^{2}-4\right)}{\sin \pi x}, & x>0, \\ \frac{x(x+1)}{x^{2}-1}, & x \leqslant 0\end{array}\right.$ 的连续性并指出间断点的类型.

💡 答案解析

**答案**:$x=0$为可去间断点,$x=1$为无穷间断点,$x=2$为可去间断点,$x=-1$为无穷间断点 **解析**: $x>0$时,$\displaystyle f(x)=\frac{x(x^2-4)}{\sin\pi x}$,分母零点$x=n$($n\in\mathbb{N}^+$)。 $x=1$:分子$1\cdot(-3)=-3$,分母$\sin\pi=0$,为无穷间断点。 $x=2$:分子$2\cdot0=0$,分母$\sin2\pi=0$,$\displaystyle \lim_{x\to2}\frac{x(x^2-4)}{\sin\pi x}=\lim_{x\to2}\frac{x(x-2)(x+2)}{\sin\pi(x-2)}=\frac{2\cdot4}{\pi}=\frac{8}{\pi}$,可去间断点。 $x=0$:左极限$\displaystyle f(0^-)=\lim_{x\to0^-}\frac{x(x+1)}{x^2-1}=0$,右极限$\displaystyle \lim_{x\to0^+}\frac{x(x^2-4)}{\sin\pi x}=\lim_{x\to0^+}\frac{-4x}{\pi x}=-\frac{4}{\pi}$,左右不等,为跳跃间断点。 $x=-1$:左极限$\displaystyle f(-1^-)=\frac{-1\cdot0}{1-1}$,分母为0,无穷间断点。 **难度**:★★★☆☆

📋 详细解题步骤

步骤 1/6
目标:确定分段函数定义域及间断点候选
函数 $f(x)$ 在 $x>0$ 时定义为 $f(x)=\frac{x(x^2-4)}{\sin \pi x}$,分母零点为 $\sin \pi x=0$,即 $x=n$($n\in\mathbb{N}^+$),故 $x=1,2,3,\ldots$ 为候选间断点。$x\leqslant 0$ 时定义为 $f(x)=\frac{x(x+1)}{x^2-1}$,分母零点为 $x^2-1=0$,即 $x=\pm 1$,但 $x=-1$ 在定义域内,$x=1$ 不在 $x\leqslant 0$ 范围内,故 $x=-1$ 为候选间断点。另外,分段点 $x=0$ 需单独讨论。
提示:注意分段点x=0需单独讨论
步骤 2/6
目标:讨论 $x=0$ 处的连续性
左极限:$\displaystyle \lim_{x\to 0^-} f(x)=\lim_{x\to 0^-} \frac{x(x+1)}{x^2-1}=\frac{0\cdot 1}{-1}=0$。 右极限:$\displaystyle \lim_{x\to 0^+} f(x)=\lim_{x\to 0^+} \frac{x(x^2-4)}{\sin \pi x}$,利用等价无穷小 $\sin \pi x \sim \pi x$($x\to 0$),得 $\displaystyle \lim_{x\to 0^+} \frac{x(-4)}{\pi x}=-\frac{4}{\pi}$。 左右极限不相等,故 $x=0$ 为跳跃间断点。
公式:$$\sin \pi x \sim \pi x \ (x \to 0)$$
提示:注意分段函数左右极限表达式不同
步骤 3/6
目标:讨论 $x=1$ 处的连续性
当 $x>0$ 时,$x=1$ 为分母零点。分子 $1\cdot(1^2-4)= -3 \neq 0$,分母 $\sin \pi =0$,故 $\displaystyle \lim_{x\to 1} f(x)=\infty$,$x=1$ 为无穷间断点。
公式:$$\lim_{x\to 1} \frac{x(x^2-4)}{\sin\pi x} = \infty$$
提示:注意分子非零分母为零导致无穷间断
步骤 4/6
目标:讨论 $x=2$ 处的连续性
当 $x>0$ 时,$x=2$ 为分母零点,分子 $2\cdot(4-4)=0$,为 $\frac{0}{0}$ 型。计算极限:$\displaystyle \lim_{x\to 2} \frac{x(x^2-4)}{\sin \pi x}=\lim_{x\to 2} \frac{x(x-2)(x+2)}{\sin \pi (x-2)}$,令 $t=x-2\to 0$,则 $\displaystyle \lim_{t\to 0} \frac{(t+2)t(t+4)}{\sin \pi t}=\lim_{t\to 0} \frac{2\cdot 4 \cdot t}{\pi t}=\frac{8}{\pi}$,极限存在,故 $x=2$ 为可去间断点。
公式:$$\lim_{t\to 0} \frac{(t+2)t(t+4)}{\sin \pi t} = \frac{8}{\pi}$$
提示:注意0/0型极限用等价无穷小替换
步骤 5/6
目标:讨论 $x=-1$ 处的连续性
当 $x\leqslant 0$ 时,$x=-1$ 为分母零点。分子 $(-1)\cdot 0=0$,分母 $1-1=0$,为 $\frac{0}{0}$ 型。化简:$\displaystyle f(x)=\frac{x(x+1)}{(x-1)(x+1)}=\frac{x}{x-1}$($x\neq -1$),故 $\displaystyle \lim_{x\to -1} f(x)=\lim_{x\to -1} \frac{x}{x-1}=\frac{-1}{-2}=\frac{1}{2}$,但 $f(-1)$ 无定义,故 $x=-1$ 为可去间断点。注意:原答案中 $x=-1$ 为无穷间断点,但此处计算极限为有限值,应为可去间断点,需根据实际极限判断。
公式:$$\lim_{x\to -1} \frac{x(x^2-4)}{\sin\pi x} = \frac{1}{2}$$
提示:注意0/0型化简后极限存在
步骤 6/6
目标:总结间断点类型
综合以上分析: - $x=0$ 为跳跃间断点(左右极限不相等)。 - $x=1$ 为无穷间断点(极限为无穷大)。 - $x=2$ 为可去间断点(极限存在且为 $\frac{8}{\pi}$)。 - $x=-1$ 为可去间断点(极限存在且为 $\frac{1}{2}$)。 注意:原答案中 $x=-1$ 被误判为无穷间断点,实际应为可去间断点。
提示:注意x=-1处极限存在,为可去间断点

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