浅谈取绝对值函数的可微性

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  [摘要]探讨了数学分析中关于取绝对值函数的求导问题,提出了判断绝对值函数导数的存在性以及求导的直接法,并将此法由一元推广到多元,给出了两类特殊函数求导的公式解。
  [关键词]绝对值函数 可微性 导数 偏导数
  一、前言
  对于取绝对值函数的求导问题,在通常情况下,只能通过其定义求解,而下面给出的结论能够更全面、更简单的解决取绝对值函数的求导问题。
  二、取绝对值的一元函数的求导问题
  命题1:
  若函数f(x)在区间(a,b)内可微,P0(x0)在(a,b)内,则有:
  1)当f(x0)≠0时
  2)当f(x0)=0时
  存在的充分且必要条件是:
  若f(x0)= 0, 那么 =0. 【1】
  证明:
  1) 因为f(x0)≠0,不妨设f(x0)>0,则由可微必连续的性质,
  存在U(x0,δ),在U(x0,δ)内f(x)>0,从而在U(x0,δ)内,|f(x)|=f(x)
  由导数概念的局部性可知:
  即(1)式成立
  2)当f(x0)=0时
  从而可知,当且仅当f`(x0)=0时, 存在,
  显然 即2)式成立。
  所以命题得证。
  这个命题不仅提供了判断导数存在的方法,而且还给出了导数的求解方法,我们估且称此法为直接法。下面看几个简单的例子:
  例1: 已知g(x)=|f(x)|=|x|,求g`(x).
  解: 1) 当x≠0时, f(x)=x=0
  由命题1有:
  2) 当x=0时, f(x)=x=0
  ∵f`(x)|x=0=1≠0
  ∴g(x)在x=0处不可导。
  所以
  看下面几个有关特殊函数的定理:
  定理1:
  如果y=ln|x|,则 . 【2】
  证明: 由y=ln|x|可知,x≠0.
  令u=|x|, ∴y=lnu, 由例1可知,
  , 所以命题得证。
  定理1’:如果y=ln|ax|,a∈R则
  读者可自行证明该定理。
  由此可见,此类函数的求导结果与绝对值函数的系数没有关系。
  定理2:
  如果 (pφ0),则 .
  所以命题得证.
  例2: 已知g(x)=|f(x)|=|cos(x)|, 求g`(x).
  解: 1) 当f(x)≠0时,
  即 , k≠0,±1,±2,…
  因此我们有:
  2) 当f(x)=cosx=0时, 即
  ∴g(x)在 , 时不可导.
  所以
  例3: 求极限 , (a≠0,b≠0) 【1】
  解: ,当x∈p(0,δ)时,使x≠0,sinax≠0且sinbx≠0
  当x∈p(0,δ) 时,x≠0, 均存在,
  因此可利用罗比塔法则:
  三、取绝对值的多元函数的求导问题
  命题2:
  若函数f(x1,x2,…,xn)在领域D内可微, 且n≥2
  , 则有:
  1) 当 时,有:
  2) 当 时,
  存在的充分必要条件是:
  证明:
  1) 若 ,不妨设 ,
  则有可微必连续,有: ,在u(p0,δ)内,f(x1,x2,…,xn)>0,
  从而在u(p0,δ)内|f(x1,x2,…,xn)|=f(x1,x2,…,xn).
  由偏导数概念的局部性有:
  所以1)式成立.
  2) 若 ,
  即2)式成立.
  因此命题得证.
  例4: 已知g(x1,x2)=|f(x1,x2)|=|a1x1+a2x2|,求 ,其中αi∈R,i=1,2.
  解:1):当a1x1+a2x2=f(x1,x2)≠0时,由命题2有:
  因此函数g(x1,x2)在a1x1+a2x2=0处不可导.
  例5:如果
  解:令u=|a1x1+a2x2|,则y=lnu,显然u≠0,由例4可得
  由此可得到一个简单的推论:
  推论1:
  于是命题得证.
  例6: 如果函数
  所以命题得证.
  根据例6容易得到下面的推论:
  推论2:
  证明: (略)
  四、命题说明
  ⑴对于绝对值函数的端点的可导性可用左、右导数的定义进行讨论。
  ⑵将定理2中绝对值函数系数推广到不为零的任意实数,即如果 那么 其中0≠a∈R该结论与前面几个结论相比,不具有特殊性,因此在原文中没有写入。
  [参考文献]
  [1]马金凤、刘文昱,《关于取绝对值函数可微性的讨论》,兵团教育学院学报,2001年,第三期,63-64。
  [2](苏)N·PISKUNOV著,邓本让等译,微分与积分学(上),吉林人民出版社,1983,96。
  [3]方企勤,多元函数微分学,上海科学技术出版社,1980,19-65。
  [4]华东师大数学系,数学分析(上、下),高等教育出版社,2000年(上)110-170,(下)121-166。
  (作者单位:天祝藏族自治县第二中学 甘肃天祝)
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