第 126 篇

考研数学二·零基础讲义 专题S04(上)|间断点判断与分类专项

约 10 分钟 3161 字 数学考研数学二零基础讲义高等数学

考研数学二·零基础讲义 · 专题 S04(上)|间断点判断与分类专项

学完这篇,你能拿到一个函数,先找出"嫌疑点",再用左右极限把每个间断点归到第一类(可去、跳跃)或第二类(无穷、振荡)。全篇 20 道例题 + 8 道自测,所有极限都用 SymPy 验算过。预计用时 60–80 分钟。

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  • 第一步:连续的三个条件——有定义、极限存在、极限等于函数值;缺哪条,就是哪种间断。
  • 第二步:找嫌疑点——分母为零、绝对值/取整的分段点、ln⁡\ln的真数为零、e1/x\mathrm e^{1/x}的x=0x=0⁠、含参极限定义的分段函数的分界点。
  • 第三步:算左右极限并分类——第一类(可去、跳跃)与第二类(无穷、振荡)。
  • 第四步:几类"必考"题型——e1/x\mathrm e^{1/x}型、arctan⁡1x\arctan\frac1x型、xtan⁡x\dfrac{x}{\tan x}型、极限式定义的函数。
  • 大纲要求:理解函数连续性的概念,会判断函数间断点的类型。这类题几乎每年都有,多以选择题、填空题形式出现,也是大题里讨论分段函数的第一步。

前置知识

  • 左极限、右极限与极限存在的充要条件:第 02 讲。
  • 等价无穷小、洛必达法则:第 03、06 讲,以及专题 S01。
  • 分段函数的概念、绝对值函数的拆分:第 01 讲。

一、连续与间断:先把定义说清楚

大白话:函数在x0x_0处"连续",就是图像在这一点"笔不离纸":从左边走过来、从右边走过来,都恰好落在函数在这一点的值上。笔得抬起来才能过去的点,就是间断点。

定义:f(x)f(x)在x0x_0连续,要求同时满足三条:

  1. f(x)f(x)在x0x_0处有定义;
  2. lim⁡x→x0f(x)\lim\limits_{x\to x_0}f(x) 存在(即左右极限都存在且相等);
  3. 这个极限等于 f(x0)f(x_0)⁠。

三条中任何一条不成立,x0x_0就是间断点。注意:讨论间断点时,x0x_0的附近必须有定义(至少一侧),否则谈不上"间断"。

间断点分类(以左极限f(x0−)f(x_0^-)⁠、右极限f(x0+)f(x_0^+)为标准):

类别 名称 左右极限的情况
第一类 可去间断点 左右极限都存在且相等,但f(x0)f(x_0)无定义或不等于这个极限
第一类 跳跃间断点 左右极限都存在,但不相等
第二类 无穷间断点 至少一侧极限为∞\infty
第二类 振荡间断点 至少一侧极限不存在且不是∞\infty(来回摆动)

一句话记忆:第一类 = 左右极限都是有限数;第二类 = 至少一侧不是有限数。

三种间断点:可去、跳跃、无穷,小球从左右两侧逼近 x=0 可去 跳跃 无穷

图 1:三种常见间断(动画循环播放)。左:可去,空心点处函数没定义,小球从两侧都奔向同一个高度;中:跳跃,小球从左右奔向不同高度;右:无穷,小球冲向天空。

自检流程(做题就按这个走):

  1. 找嫌疑点:函数没定义的点、分段函数的分界点。
  2. 在嫌疑点算左极限、右极限(遇到∣x∣|x|⁠、e1/x\mathrm e^{1/x}⁠、arctan⁡1x\arctan\frac1x⁠、取整,必须分左右)。
  3. 对照上表归类。

二、最基础的四种:先各来一道

例 1(可去):判断f(x)=sin⁡xxf(x)=\dfrac{\sin x}{x}在x=0x=0的类型。

解:x=0x=0处无定义。lim⁡x→0sin⁡xx=1\lim\limits_{x\to0}\dfrac{\sin x}{x}=1⁠,左右极限相等且有限,故x=0x=0是可去间断点。补充定义f(0)=1f(0)=1后就连续了。

例 2(跳跃):判断f(x)=x∣x∣f(x)=\dfrac{x}{|x|}在x=0x=0的类型。

解:x>0x>0时f=1f=1⁠,x<0x<0时f=−1f=-1⁠。f(0+)=1f(0^+)=1⁠,f(0−)=−1f(0^-)=-1⁠,不相等,故x=0x=0是跳跃间断点,跳跃的高度为22⁠。

例 3(无穷):判断f(x)=1xf(x)=\dfrac{1}{x}在x=0x=0的类型。

解:lim⁡x→0+1x=+∞\lim\limits_{x\to0^+}\dfrac1x=+\infty⁠,所以x=0x=0是无穷间断点(第二类)。

例 4(振荡):判断f(x)=sin⁡1xf(x)=\sin\dfrac1x在x=0x=0的类型。

解:x→0x\to0时1x→∞\dfrac1x\to\infty⁠,sin⁡1x\sin\dfrac1x在[−1,1][-1,1]上来回摆动,极限不存在也不是∞\infty⁠,故x=0x=0是振荡间断点(第二类)。

易错:振荡间断点"不是无穷"。判断标准是极限能否"跑到无穷",来回摆动不算。


三、有理函数型:约分之后看剩下什么

例 5:求f(x)=x2−1x2−3x+2f(x)=\dfrac{x^2-1}{x^2-3x+2}的间断点并分类。

解:分母x2−3x+2=(x−1)(x−2)x^2-3x+2=(x-1)(x-2)⁠,嫌疑点x=1,2x=1,2⁠。

  • x=1x=1⁠:lim⁡x→1(x−1)(x+1)(x−1)(x−2)=2−1=−2\lim\limits_{x\to1}\dfrac{(x-1)(x+1)}{(x-1)(x-2)}=\dfrac{2}{-1}=-2⁠,有限 → 可去间断点。
  • x=2x=2⁠:分子→3≠0\to3\ne0⁠,分母→0\to0⁠,极限为∞\infty(右极限+∞+\infty⁠,左极限−∞-\infty⁠)→ 无穷间断点。

SymPy 验算:x=1x=1极限−2-2⁠;x=2x=2右极限+∞+\infty⁠、左极限−∞-\infty⁠。

例 6:求f(x)=x2−4x2−5x+6f(x)=\dfrac{x^2-4}{x^2-5x+6}的间断点并分类。

解:分母=(x−2)(x−3)=(x-2)(x-3)⁠。x=2x=2⁠:(x−2)(x+2)(x−2)(x−3)→4−1=−4\dfrac{(x-2)(x+2)}{(x-2)(x-3)}\to\dfrac{4}{-1}=-4⁠,可去;x=3x=3⁠:分子→5≠0\to5\ne0⁠,无穷间断点。(SymPy:−4-4⁠;右极限+∞+\infty⁠。)

方法小结:有理函数的间断点 = 分母的零点;分子分母有公因子(x−a)(x-a)且约掉后分母不再为零,则可去,否则为无穷。


四、含绝对值的函数:必须拆成左右两段

例 7:判断f(x)=sin⁡x∣x∣f(x)=\dfrac{\sin x}{|x|}在x=0x=0的类型。

解:x→0+x\to0^+⁠:sin⁡xx→1\dfrac{\sin x}{x}\to1⁠;x→0−x\to0^-⁠:sin⁡x−x→−1\dfrac{\sin x}{-x}\to-1⁠。左右极限存在但不等,跳跃间断点。(SymPy:11⁠、−1-1⁠。)

例 8:求f(x)=x2−x∣x∣(x2−1)f(x)=\dfrac{x^2-x}{|x|(x^2-1)}的间断点并分类。

解:嫌疑点x=0,±1x=0,\pm1⁠。化简:x(x−1)∣x∣(x−1)(x+1)=x∣x∣(x+1)\dfrac{x(x-1)}{|x|(x-1)(x+1)}=\dfrac{x}{|x|(x+1)}⁠。

  • x=0x=0⁠:右极限1x+1→1\dfrac{1}{x+1}\to1⁠;左极限−1x+1→−1\dfrac{-1}{x+1}\to-1⁠,跳跃。
  • x=1x=1⁠:极限11⋅2=12\dfrac{1}{1\cdot2}=\dfrac12⁠,可去。
  • x=−1x=-1⁠:x→−1+x\to-1^+时x∣x∣(x+1)=−1x+1→−∞\dfrac{x}{|x|(x+1)}=\dfrac{-1}{x+1}\to-\infty(右);左侧→+∞\to+\infty⁠,无穷。

SymPy 验算:x=0x=0⁠:1,−11,-1⁠;x=1x=1⁠:12\tfrac12⁠;x=−1x=-1⁠:右−∞-\infty⁠、左+∞+\infty⁠。

例 9:求f(x)=ln⁡∣x∣x−1f(x)=\dfrac{\ln|x|}{x-1}的间断点并分类。

解:嫌疑点:x=0x=0(⁠ln⁡∣x∣\ln|x|无定义)、x=1x=1(分母为零)。

  • x=1x=1⁠:ln⁡∣x∣∼x−1\ln|x|\sim x-1⁠,极限为11⁠,可去。
  • x=0x=0⁠:ln⁡∣x∣→−∞\ln|x|\to-\infty⁠,ln⁡∣x∣−1→+∞\dfrac{\ln|x|}{-1}\to+\infty⁠,无穷间断点。

五、e1/x\mathrm e^{1/x}型:必考,左右完全不同

核心事实:

lim⁡x→0+e1/x=+∞,lim⁡x→0−e1/x=0.\lim_{x\to0^+}\mathrm e^{1/x}=+\infty,\qquad\lim_{x\to0^-}\mathrm e^{1/x}=0.

原因:x→0+x\to0^+时1x→+∞\dfrac1x\to+\infty⁠;x→0−x\to0^-时1x→−∞\dfrac1x\to-\infty⁠,e−∞=0\mathrm e^{-\infty}=0⁠。凡是含e1/x\mathrm e^{1/x}的,一律分左右。

例 10:判断f(x)=e1/xf(x)=\mathrm e^{1/x}在x=0x=0的类型。

解:右极限+∞+\infty⁠,所以无穷间断点(左极限虽为00⁠,也算第二类,因为右边已经无穷)。

例 11:判断f(x)=e1/x−1e1/x+1f(x)=\dfrac{\mathrm e^{1/x}-1}{\mathrm e^{1/x}+1}在x=0x=0的类型。

解:x→0+x\to0^+⁠:分子分母同除e1/x\mathrm e^{1/x}⁠,得1−e−1/x1+e−1/x→1\dfrac{1-\mathrm e^{-1/x}}{1+\mathrm e^{-1/x}}\to1⁠。x→0−x\to0^-⁠:e1/x→0\mathrm e^{1/x}\to0⁠,得0−10+1=−1\dfrac{0-1}{0+1}=-1⁠。左右极限存在不等,跳跃间断点。(SymPy:1,−11,-1⁠。)

例 12:判断f(x)=x e1/xf(x)=x\,\mathrm e^{1/x}在x=0x=0的类型。

解:x→0+x\to0^+⁠:xe1/x=e1/x1/xx\mathrm e^{1/x}=\dfrac{\mathrm e^{1/x}}{1/x}⁠,指数比幂快,→+∞\to+\infty⁠。所以是无穷间断点。(左极限=0=0⁠。)SymPy:右+∞+\infty⁠、左00⁠。

例 13:判断f(x)=arctan⁡1xf(x)=\arctan\dfrac1x在x=0x=0的类型。

解:x→0+x\to0^+⁠,1x→+∞\dfrac1x\to+\infty⁠,arctan⁡→π2\arctan\to\dfrac\pi2⁠;x→0−x\to0^-⁠,→−π2\to-\dfrac\pi2⁠。跳跃间断点,跳跃高度π\pi⁠。

例 14:判断f(x)=(x2−1) e1/(x−1)x−1f(x)=\dfrac{(x^2-1)\,\mathrm e^{1/(x-1)}}{x-1}在x=1x=1的类型。

解:约分得(x+1)e1/(x−1)(x+1)\mathrm e^{1/(x-1)}⁠。x→1+x\to1^+⁠:e1/(x−1)→+∞\mathrm e^{1/(x-1)}\to+\infty⁠,f→+∞f\to+\infty⁠;x→1−x\to1^-⁠:f→2⋅0=0f\to2\cdot0=0⁠。右极限无穷,故x=1x=1是无穷间断点。(SymPy:右+∞+\infty⁠、左00⁠。)

例 15(经典大题型):判断f(x)=11−ex/(1−x)f(x)=\dfrac{1}{1-\mathrm e^{x/(1-x)}}的间断点并分类。

解:嫌疑点:x=1x=1(指数中分母为零);1−ex/(1−x)=0⇒x1−x=0⇒x=01-\mathrm e^{x/(1-x)}=0\Rightarrow\dfrac{x}{1-x}=0\Rightarrow x=0⁠。

  • x=0x=0⁠:x1−x→0\dfrac{x}{1-x}\to0⁠,1−ex/(1−x)∼−x1−x→01-\mathrm e^{x/(1-x)}\sim-\dfrac{x}{1-x}\to0⁠,f→∞f\to\infty(右−∞-\infty⁠、左+∞+\infty⁠)→ 无穷间断点。
  • x=1x=1⁠:x→1−x\to1^-时x1−x→+∞\dfrac{x}{1-x}\to+\infty⁠,e(⋅)→+∞\mathrm e^{(\cdot)}\to+\infty⁠,f→0f\to0⁠;x→1+x\to1^+时x1−x→−∞\dfrac{x}{1-x}\to-\infty⁠,e(⋅)→0\mathrm e^{(\cdot)}\to0⁠,f→1f\to1⁠。左右极限00⁠、11不等,跳跃间断点。

SymPy 验算:x=0x=0⁠:右−∞-\infty⁠、左+∞+\infty⁠;x=1x=1⁠:右11⁠、左00⁠。

易错:很多人只看到x=0x=0一个点而漏掉x=1x=1⁠。指数里有分母,分母为零的点一定要查。


六、xtan⁡x\dfrac{x}{\tan x}型:周期性出现的间断点

例 16:求f(x)=xtan⁡xf(x)=\dfrac{x}{\tan x}的间断点并分类。

解:tan⁡x\tan x在x=kπ+π2x=k\pi+\dfrac\pi2无定义,tan⁡x=0\tan x=0在x=kπx=k\pi⁠。所以嫌疑点有两族。

  • x=0x=0⁠:xtan⁡x→1\dfrac{x}{\tan x}\to1⁠,可去。
  • x=kπx=k\pi(⁠k≠0k\ne0⁠):tan⁡x→0\tan x\to0⁠,分子kπ≠0k\pi\ne0⁠,f→∞f\to\infty(SymPy:x→π+x\to\pi^+时+∞+\infty⁠,π−\pi^-时−∞-\infty⁠)→ 无穷。
  • x=kπ+π2x=k\pi+\dfrac\pi2⁠:tan⁡x→∞\tan x\to\infty⁠,f→0f\to0(SymPy 验证x=π2x=\frac\pi2处极限00⁠)→ 可去。

例 17:求f(x)=1x−1ex−1f(x)=\dfrac1x-\dfrac1{\mathrm e^x-1}在x=0x=0的类型。

解:先通分:ex−1−xx(ex−1)∼x2/2x2=12\dfrac{\mathrm e^x-1-x}{x(\mathrm e^x-1)}\sim\dfrac{x^2/2}{x^2}=\dfrac12⁠。可去间断点。(SymPy:12\tfrac12⁠。)


七、极限式定义的函数:先把f(x)f(x)求出来

套路:f(x)=lim⁡n→∞(⋯ )f(x)=\lim\limits_{n\to\infty}(\cdots)⁠,其中xx是参数。需要按∣x∣<1|x|<1⁠、∣x∣=1|x|=1⁠、∣x∣>1|x|>1分别求极限,得到分段函数,再判断分界点。

例 18:设f(x)=lim⁡n→∞1+x1+x2nf(x)=\lim\limits_{n\to\infty}\dfrac{1+x}{1+x^{2n}}⁠,求间断点并分类。

解:

  • ∣x∣<1|x|<1⁠:x2n→0x^{2n}\to0⁠,f=1+xf=1+x⁠;
  • ∣x∣>1|x|>1⁠:x2n→+∞x^{2n}\to+\infty⁠,f=0f=0⁠;
  • x=1x=1⁠:f=22=1f=\dfrac{2}{2}=1⁠;
  • x=−1x=-1⁠:f=02=0f=\dfrac{0}{2}=0⁠。

x=1x=1⁠:左极限1+1=21+1=2⁠,右极限00⁠,不等,跳跃(⁠f(1)=1f(1)=1⁠)。 x=−1x=-1⁠:左极限00⁠,右极限1+(−1)=01+(-1)=0⁠,f(−1)=0f(-1)=0⁠,三者相等,连续。

所以只有x=1x=1一个间断点,是跳跃间断点。(SymPy 验证了x=12,2,−2,−12x=\tfrac12,2,-2,-\tfrac12的极限分别为32,0,0,12\tfrac32,0,0,\tfrac12⁠。)

例 19:f(x)=x−[x]f(x)=x-[x](⁠[x][x]为取整)在整数点的类型。

解:x=kx=k处,右极限k−k=0k-k=0⁠,左极限x∈(k−1,k)x\in(k-1,k)时[x]=k−1[x]=k-1⁠,f→k−(k−1)=1f\to k-(k-1)=1⁠。左右极限1,01,0⁠,跳跃间断点。每个整数都是。

例 20:判断f(x)=ln⁡(1+x)xf(x)=\dfrac{\ln(1+x)}{x}在x=−1x=-1与x=0x=0的类型。

解:定义域x>−1x>-1且x≠0x\ne0⁠。x=0x=0⁠:极限11⁠,可去;x=−1x=-1⁠:只有右侧有定义,x→−1+x\to-1^+时ln⁡(1+x)→−∞\ln(1+x)\to-\infty⁠,−∞−1=+∞\dfrac{-\infty}{-1}=+\infty⁠,无穷间断点。(SymPy:右极限+∞+\infty⁠。)


速记卡

  • 第一类:左右极限都有限。相等是可去,不等是跳跃。
  • 第二类:至少一侧是∞\infty或振荡。
  • 有理函数:分母零点;能约掉的为可去,约不掉的为无穷。
  • 见到∣x∣|x|⁠、[x][x]⁠、e1/x\mathrm e^{1/x}⁠、arctan⁡1x\arctan\frac1x:必分左右。
  • e1/x\mathrm e^{1/x}⁠:右+∞+\infty⁠,左00⁠;arctan⁡1x\arctan\frac1x⁠:右π2\frac\pi2⁠,左−π2-\frac\pi2⁠。
  • 极限式定义的函数:先分∣x∣<1|x|<1⁠、=1=1⁠、>1>1求出分段式。

易错清单

  1. 把"极限不存在"一律叫做"无穷"。振荡不是无穷。
  2. 忘记检查e1/(x−a)\mathrm e^{1/(x-a)}型中的x=ax=a⁠。
  3. 含∣x∣|x|的函数不拆左右直接代入。
  4. 有定义但函数值"错位"也是间断(可去):例如f(0)=2f(0)=2而lim⁡f=1\lim f=1⁠。

自测 8 题

1. 判断f(x)=x2−xx2−1f(x)=\dfrac{x^2-x}{x^2-1}的间断点类型。

答案与提示

f=x(x−1)(x−1)(x+1)f=\dfrac{x(x-1)}{(x-1)(x+1)}⁠。x=1x=1⁠:极限12\dfrac12⁠,可去;x=−1x=-1⁠:无穷。

2. 判断f(x)=∣x∣x⋅1x+1f(x)=\dfrac{|x|}{x}\cdot\dfrac1{x+1}在x=0x=0的类型。

答案与提示

右极限11⁠,左极限−1-1⁠,跳跃。

3. 判断f(x)=e−1/xf(x)=\mathrm e^{-1/x}在x=0x=0的类型。

答案与提示

右极限00⁠,左极限+∞+\infty⁠,无穷间断点。

4. 判断f(x)=e1/x1+e1/xf(x)=\dfrac{\mathrm e^{1/x}}{1+\mathrm e^{1/x}}在x=0x=0的类型。

答案与提示

右极限11(分子分母同除e1/x\mathrm e^{1/x}⁠),左极限00⁠,跳跃。

5. 判断f(x)=xsin⁡1xf(x)=x\sin\dfrac1x在x=0x=0的类型。

答案与提示

有界乘无穷小,极限为00⁠,无定义,故可去间断点。

6. 设f(x)=lim⁡n→∞x2n−1x2n+1 xf(x)=\lim\limits_{n\to\infty}\dfrac{x^{2n}-1}{x^{2n}+1}\,x⁠,求间断点。

答案与提示

∣x∣<1|x|<1⁠:f=−xf=-x⁠;∣x∣>1|x|>1⁠:f=xf=x⁠;x=±1x=\pm1⁠:f=0f=0⁠。x=1x=1⁠:左极限−1-1⁠,右极限11⁠,跳跃;x=−1x=-1⁠:左极限−1-1⁠,右极限11⁠,跳跃。

7. 判断f(x)=sin⁡(x−1)(x−1)(x−2)f(x)=\dfrac{\sin(x-1)}{(x-1)(x-2)}的间断点类型。

答案与提示

x=1x=1⁠:sin⁡(x−1)x−1→1\dfrac{\sin(x-1)}{x-1}\to1⁠,故极限11−2=−1\dfrac{1}{1-2}=-1⁠,可去;x=2x=2⁠:无穷。

8.(略提高)判断f(x)=1ln⁡∣x∣f(x)=\dfrac{1}{\ln|x|}的间断点(⁠x=0,±1x=0,\pm1⁠)。

答案与提示

x=0x=0⁠:ln⁡∣x∣→−∞\ln|x|\to-\infty⁠,f→0f\to0⁠,可去;x=±1x=\pm1⁠:ln⁡∣x∣→0\ln|x|\to0⁠,f→∞f\to\infty⁠,无穷。


下一篇预告

专题 S04(下)讲分段函数的连续与可导:怎样用"左导数 = 右导数"判断分界点是否可导,含参数的分段函数怎样一步步求参数,以及x2sin⁡1xx^2\sin\dfrac1x这类"可导但导函数不连续"的经典例子。

👉 点击进入下一篇:专题S04(下)|分段函数的连续与可导专项

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