函数可导性的证明通常包括以下几个步骤:
判断函数在该点是否有定义
函数在点 \( x_0 \) 处必须有定义,即 \( f(x_0) \) 存在。
判断函数在该点是否连续
函数在点 \( x_0 \) 处连续,即 \( f(x_0^-) = f(x_0^+) = f(x_0) \)。
计算左右导数
计算函数在点 \( x_0 \) 处的左导数 \( f'(x_0^-) \) 和右导数 \( f'(x_0^+) \)。
如果左导数和右导数都存在且相等,即 \( f'(x_0^-) = f'(x_0^+) \),则函数在该点可导。
利用导数的定义
根据导数的定义,如果函数在点 \( x_0 \) 处的极限 \(\lim_{h \to 0} \frac{f(x_0 + h) - f(x_0)}{h}\) 存在,则函数在该点可导。
具体证明方法
方法一:根据导数的定义
设函数 \( f(x) \) 在点 \( x_0 \) 处可导,则根据导数的定义,极限
\[
f'(x_0) = \lim_{h \to 0} \frac{f(x_0 + h) - f(x_0)}{h}
\]
必须存在。
方法二:根据导数的四则运算规则
如果 \( f(x) \) 和 \( g(x) \) 在点 \( x_0 \) 处可导,则它们的和、差、积、商(除数不为零)在点 \( x_0 \) 处也可导,并且有如下规则:
\[
(f(x) + g(x))' = f'(x) + g'(x)
\]
\[
(f(x) - g(x))' = f'(x) - g'(x)
\]
\[
(f(x)g(x))' = f'(x)g(x) + f(x)g'(x)
\]
\[
\left(\frac{f(x)}{g(x)}\right)' = \frac{f'(x)g(x) - f(x)g'(x)}{g(x)^2}
\]
方法三:复合函数的可导性
如果 \( f(x) \) 和 \( g(x) \) 在区间上可导,且 \( y = f(g(x)) \),则 \( y \) 在 \( g(x) \) 的反函数 \( x = g^{-1}(y) \) 处也可导,并且有:
\[
\frac{dy}{dx} = \frac{dy}{du} \cdot \frac{du}{dx}
\]
例子
假设我们要证明函数 \( f(x) = x^2 \sin(\frac{1}{x}) \) 在 \( x = 0 \) 处是否可导。
定义和连续性
函数 \( f(x) \) 在 \( x = 0 \) 处有定义,且 \( f(0) = 0 \)。
函数在 \( x = 0 \) 处连续,因为 \( \lim_{x \to 0} x^2 \sin(\frac{1}{x}) = 0 \)。
计算左右导数
左导数 \( f'_{-}(0) \):
\[
f'_{-}(0) = \lim_{h \to 0^-} \frac{f(0 + h) - f(0)}{h} = \lim_{h \to 0^-} \frac{h^2 \sin(\frac{1}{h})}{h} = \lim_{h \to 0^-} h \sin(\frac{1}{h}) = 0
\]
右导数 \( f'_{+}(0) \):
\[
f'_{+}(0) = \lim_{h \to 0^+} \frac{f(0 + h) - f(0)}{h} = \lim_{h \to 0^+} \frac{h^2 \sin(\frac{1}{h})}{h} = \lim_{h \to 0^+} h \sin(\frac{1}{h}) = 0