判断分段函数$f(x)=\begin{cases} e^{-1/x} ,x >0\\ 0, x \le 0 \end{cases}$是否在全体实数上可导
我认为这个陈述是错误的,咱们通过计算x=0处的左右导数就能验证:
函数在x≠0的区域,x>0时是指数函数$e^{-1/x}$,处处可导;x<0时是常数0,也处处可导。所以关键就看x=0这一点的可导性,而可导的前提是左导数和右导数存在且相等。
计算右导数(h→0⁺):
根据导数定义,右导数为:
$$\lim_{h\to 0^+}\frac{f(0+h)-f(0)}{h} = \lim_{h\to 0+}\frac{e{-1/h}}{h}$$
做变量替换$t=\frac{1}{h}$,当$h\to0+$时$t\to+\infty$,原式转化为$\lim_{t\to+\infty}\frac{t}{et}$,由于指数函数增长远快于多项式,这个极限等于0。计算左导数(h→0⁻):
我这里的推导是:
$$\lim_{h\to0^-}\frac{f(0+h)-f(0)}{h} = \lim_{h\to0-}\frac{e{-1/h}}{h}$$
同样做变量替换,令$h\to0-$时,$t=\frac{1}{h}\to-\infty$,原式变为$\lim_{t\to-\infty}te{-t}$。展开$e{-t}$的泰勒级数:$e{-t}=1-t+\frac{t2}{2!}-\frac{t3}{3!}+\dots$,代入后得到:
$$\lim_{t\to-\infty}\left(t - t^2 + \frac{t^3}{2!} - \dots\right)$$
当$t\to-\infty$时,这个级数的主导项是$\frac{t^3}{2!}$,趋向于$-\infty$,所以左导数是$-\infty$,不存在有限值。
显然,右导数是0,左导数不存在(趋向负无穷),两者不相等,所以函数在x=0处不可导,也就不能说在全体实数上都可导。
备注:内容来源于stack exchange,提问作者jasmine




