要确定一个双变量函数的所有间断点,我们需要理解函数在何处“不连续”,也就是说,函数的图像在哪里出现了“断裂”或“不平滑”。这通常发生在以下几种情况:
一、 理解连续性的基本概念
首先,我们来回顾一下单变量函数连续性的概念,然后将其推广到双变量函数。
单变量函数 $f(x)$ 在点 $a$ 连续的条件:
1. $f(a)$ 有定义(即 $a$ 在函数的定义域内)。
2. $lim_{x o a} f(x)$ 存在。
3. $lim_{x o a} f(x) = f(a)$。
双变量函数 $f(x, y)$ 在点 $(a, b)$ 连续的条件:
1. $f(a, b)$ 有定义(即 $(a, b)$ 在函数的定义域内)。
2. $lim_{(x, y) o (a, b)} f(x, y)$ 存在(这意味着无论 $(x, y)$ 从哪个方向趋近于 $(a, b)$,函数值都趋向于同一个值)。
3. $lim_{(x, y) o (a, b)} f(x, y) = f(a, b)$。
间断点 (Discontinuity Point) 就是不满足上述任何一个条件的点。
二、 寻找间断点的主要方法
寻找双变量函数的间断点,本质上是检查函数的定义域是否存在“问题”,或者函数在某些点上的极限是否不存在或不等于函数值。
1. 检查定义域:
分母为零的点: 这是最常见的一类间断点。如果函数是分数形式,如 $f(x, y) = frac{P(x, y)}{Q(x, y)}$,那么所有使分母 $Q(x, y) = 0$ 的点 $(x, y)$ 都可能是间断点。我们需要进一步分析这些点。
例子: $f(x, y) = frac{1}{x y}$。分母 $x y = 0$,即 $y = x$ 的直线上,函数没有定义。所以,直线 $y = x$ 上的所有点都是该函数的间断点。
对数函数中出现非正数: 如果函数中包含 $ln(g(x, y))$,那么只有当 $g(x, y) > 0$ 时函数才有定义。所以,所有使 $g(x, y) le 0$ 的点 $(x, y)$ 都可能是间断点。
例子: $f(x, y) = ln(x^2 + y^2 1)$。函数在 $x^2 + y^2 1 le 0$(即圆盘 $x^2 + y^2 le 1$)上没有定义。因此,圆盘边界 $x^2 + y^2 = 1$ 上的点以及圆盘内部的点是该函数的间断点。
根号下出现负数: 如果函数中包含 $sqrt{g(x, y)}$,那么只有当 $g(x, y) ge 0$ 时函数才有定义。所以,所有使 $g(x, y) < 0$ 的点 $(x, y)$ 都可能是间断点。
例子: $f(x, y) = sqrt{1 x^2 y^2}$。函数在 $1 x^2 y^2 < 0$(即圆盘 $x^2 + y^2 > 1$)上没有定义。因此,圆盘外部区域的点是该函数的间断点。
关键: 对于这些在定义域之外的点,函数本身就没有定义,自然无法满足连续性定义中的第一条,因此它们就是间断点。
2. 检查函数值与极限的关系(点在定义域内,但极限不存在或不相等):
有理函数的“洞”: 对于像 $f(x, y) = frac{x^2 y^2}{x y}$ 这样的函数,当 $x
eq y$ 时,可以化简为 $f(x, y) = x + y$。
在直线 $y = x$ 上,原函数没有定义。
但是,当 $(x, y)$ 趋近于直线 $y = x$ 上的某一点 $(a, a)$ 时,$lim_{(x, y) o (a, a)} f(x, y) = lim_{(x, y) o (a, a)} (x + y) = a + a = 2a$。
由于原函数在 $(a, a)$ 没有定义,所以 $lim_{(x, y) o (a, a)} f(x, y)
eq f(a, a)$(因为 $f(a, a)$ 不存在)。
这种情况下,直线 $y = x$ 上的点就是可去间断点。如果我们在这些点上定义函数值为极限值,就能使函数变得连续。
极限不存在的情况: 有些函数在某些点上,无论从哪个方向趋近,极限值都不同,或者极限值不存在。
分段函数: 分段函数的定义域边界处是重点检查对象。
例子:
$$ f(x, y) = egin{cases} frac{xy}{x^2 + y^2} & (x, y)
eq (0, 0) \ 0 & (x, y) = (0, 0) end{cases} $$
首先检查 $(0, 0)$。当 $(x, y) o (0, 0)$ 时,沿着不同的路径趋近,极限值不同。例如:
沿着 $y = x$ 趋近:$lim_{x o 0} frac{x cdot x}{x^2 + x^2} = lim_{x o 0} frac{x^2}{2x^2} = frac{1}{2}$。
沿着 $y = mx$ 趋近($m
eq 0$):$lim_{x o 0} frac{x cdot mx}{x^2 + (mx)^2} = lim_{x o 0} frac{mx^2}{x^2(1 + m^2)} = frac{m}{1 + m^2}$。
因为极限值依赖于路径,所以 $lim_{(x, y) o (0, 0)} f(x, y)$ 不存在。
又因为 $f(0, 0) = 0$,且极限不存在,所以 $(0, 0)$ 是一个间断点(实际上是本质间断点)。
多项式、指数函数、三角函数(在定义域内)通常是连续的。 它们的间断点主要出现在它们组合形成的分数或特殊函数(如对数、根号)的边界处。
三、 确定间断点的步骤总结
1. 找出函数的所有定义域限制:
分母不能为零。
对数函数的参数必须大于零。
根号的被开方数必须大于等于零。
三角函数、指数函数等的基本性质(通常在实数域内是连续的,除非它们作为复合函数的一部分引入了限制)。
2. 列出所有不满足定义域要求的点 $(x, y)$: 这些点是函数的间断点,因为函数在该点没有定义。
3. 考虑函数定义域内的“特殊”点:
分段函数的边界点: 仔细检查在分段点处,函数值的定义是否与各个部分在趋近该点时的极限相等。
有理函数的零分母点(当分子在该点也为零时): 尝试化简函数,然后检查化简后的函数在原零分母点的值与极限值是否一致。如果化简后极限存在但原函数无定义,则是可去间断点。
其他可能导致极限不存在的点: 如上面例子中的 $frac{xy}{x^2 + y^2}$。
4. 验证: 对于每一个疑似的间断点 $(a, b)$,需要验证:
$f(a, b)$ 是否有定义?
$lim_{(x, y) o (a, b)} f(x, y)$ 是否存在?(如果存在,尝试沿着不同路径趋近,看极限是否一致。)
如果极限存在且函数有定义,是否 $lim_{(x, y) o (a, b)} f(x, y) = f(a, b)$?
任何一个条件不满足,$(a, b)$ 就是一个间断点。
举个更综合的例子:
考虑函数:
$$ f(x, y) = egin{cases} frac{sin(xy)}{xy} & x
eq 0, y
eq 0 \ 1 & x = 0, y
eq 0 \ 1 & x
eq 0, y = 0 \ 0 & x = 0, y = 0 end{cases} $$
检查定义域:
当 $x
eq 0$ 且 $y
eq 0$ 时,$frac{sin(xy)}{xy}$ 有定义。
当 $x=0, y
eq 0$ 时,函数定义为 $1$。
当 $x
eq 0, y=0$ 时,函数定义为 $1$。
当 $x=0, y=0$ 时,函数定义为 $0$。
整个 $mathbb{R}^2$ 都是该函数的定义域。
检查分段边界点:
考虑 $x=0, y
eq 0$ 的情况:
函数值 $f(0, y) = 1$。
需要计算 $lim_{(x, y) o (0, y_0)} f(x, y)$,其中 $y_0
eq 0$。
当 $(x, y)$ 趋近于 $(0, y_0)$ 时,尽管 $x$ 趋近于 $0$,但 $y$ 趋近于 $y_0
eq 0$。因此,$xy$ 趋近于 $0 cdot y_0 = 0$。
我们需要计算 $lim_{(x, y) o (0, y_0), y_0
eq 0} frac{sin(xy)}{xy}$。
令 $u = xy$。当 $(x, y) o (0, y_0)$ 时,$u o 0$。
根据单变量函数的极限 $lim_{u o 0} frac{sin(u)}{u} = 1$。
所以,$lim_{(x, y) o (0, y_0)} f(x, y) = 1$。
由于 $lim_{(x, y) o (0, y_0)} f(x, y) = 1 = f(0, y_0)$,所以在 $x=0, y
eq 0$ 的轴上,函数是连续的。
考虑 $x
eq 0, y = 0$ 的情况:
函数值 $f(x, 0) = 1$。
需要计算 $lim_{(x, y) o (x_0, 0)} f(x, y)$,其中 $x_0
eq 0$。
当 $(x, y)$ 趋近于 $(x_0, 0)$ 时,$xy$ 趋近于 $x_0 cdot 0 = 0$。
同理,$lim_{(x, y) o (x_0, 0), x_0
eq 0} frac{sin(xy)}{xy} = 1$。
由于 $lim_{(x, y) o (x_0, 0)} f(x, y) = 1 = f(x_0, 0)$,所以在 $x
eq 0, y = 0$ 的轴上,函数是连续的。
重点检查 $(0, 0)$ 点:
函数在该点的值是 $f(0, 0) = 0$。
我们需要计算 $lim_{(x, y) o (0, 0)} f(x, y)$。
当 $(x, y) o (0, 0)$,且 $(x, y)
eq (0, 0)$ 时,$f(x, y) = frac{sin(xy)}{xy}$。
正如前面分析的,令 $u = xy$。当 $(x, y) o (0, 0)$ 时,$u o 0$。
所以,$lim_{(x, y) o (0, 0)} f(x, y) = lim_{u o 0} frac{sin(u)}{u} = 1$。
现在比较极限值和函数值:$lim_{(x, y) o (0, 0)} f(x, y) = 1$,而 $f(0, 0) = 0$。
因为 $1
eq 0$,所以 $lim_{(x, y) o (0, 0)} f(x, y)
eq f(0, 0)$。
因此,点 $(0, 0)$ 是一个间断点。
结论: 这个函数只有一个间断点,即 $(0, 0)$。
总而言之,确定双变量函数的间断点是一个细致的过程,需要结合函数的具体形式,重点关注定义域的边界、分母为零、对数或根号的参数限制,以及分段函数的边界点,并用极限的定义去逐一验证。