題目
Problem
二、計算、證明題:共 3 題,每題 12 分,共 36 分。須詳細寫出計算及證明過程,否則不予計分。
- Consider the function
f(x)={xsin(x1),0,x=0x=0.
(a) (4 分) Show that f is continuous at x=0.
(b) (4 分) Find f′(x) for x=0.
(c) (4 分) Use the limit definition of the derivative to show that f is not differentiable at x=0.
解答
解法一:定義證明法
思路
展開
- 本題探討經典函數 f(x)=xsin(1/x) 在 x=0 處的連續性與可微性。
- (a) 證明在 x=0 連續:
- 需要證明 x→0limf(x)=f(0)=0。
- 由於 sin(1/x) 的值域在 [−1,1] 之間,故有不等式 −∣x∣≤xsin(1/x)≤∣x∣。
- 利用夾擠定理(Squeeze Theorem),當 x→0 時,兩端極限皆為 0,從而證明 x→0limf(x)=0。
- (b) 求 x=0 的導數:
- 對 xsin(1/x) 使用乘積求導與連鎖律:
f′(x)=1⋅sin(1/x)+x⋅cos(1/x)⋅(−x21)=sin(1/x)−x1cos(1/x)
- (c) 證明在 x=0 不可微:
- 根據導數定義, f′(0)=x→0limx−0f(x)−f(0)。
- 代入函數值,得到極限 x→0limxxsin(1/x)=x→0limsin(1/x)。
- 由於當 x→0 時, sin(1/x) 在 −1 與 1 之間無限震盪,此極限不存在。
- 因此, f 在 x=0 處不可微。
答題過程
展開
(a) 證明 f 在 x=0 連續
為了證明 f 在 x=0 處連續,我們需要證明:
x→0limf(x)=f(0)=0
對於任何 x=0,因為正弦函數的絕對值恆小於或等於 1:
sin(x1)≤1
我們在不等式兩邊同乘以 ∣x∣:
xsin(x1)≤∣x∣
這意即:
−∣x∣≤xsin(x1)≤∣x∣
由於:
x→0lim(−∣x∣)=0且x→0lim∣x∣=0
根據夾擠定理(Squeeze Theorem),可得:
x→0limxsin(x1)=0
因為 x→0limf(x)=0=f(0),故 f 在 x=0 處連續。 ■
(b) 求 x=0 時的 f′(x)
當 x=0 時,我們可以使用乘積求導法則(Product Rule)與連鎖律(Chain Rule)直接對 f(x)=xsin(1/x) 求導:
f′(x)=dxd[xsin(x1)]
=1⋅sin(x1)+x⋅[cos(x1)⋅(−x21)]
=sin(x1)−x1cos(x1)
(c) 證明 f 在 x=0 不可微
根據導數的極限定義, f′(0) 的定義為:
f′(0)=x→0limx−0f(x)−f(0)
代入 f(0)=0 以及當 x=0 時的 f(x)=xsin(1/x):
f′(0)=x→0limxxsin(x1)−0=x→0limsin(x1)
當 x→0 時,角度 x1→±∞,使得 sin(x1) 在 [−1,1] 區間內無限次快速震盪。例如:
- 當 xn=2nπ+π/21→0 時, sin(1/xn)=sin(2nπ+π/2)=1。
- 當 yn=2nπ−π/21→0 時, sin(1/yn)=sin(2nπ−π/2)=−1。
因為當 x→0 時函數值無法趨於單一常數,所以極限 x→0limsin(x1) 不存在。
由此可知, f(x) 在 x=0 處不可微分。 ■