第九节 函数的连续性和间断点有了极限的概念，我们就可以来讨论函数的一种重要特性——连续性。

首先，我们应注意到连续性也是客观现实的反映，是从许多自然现象的观察中抽象出来的一种共同特性。

如气温T 随时间t 的变化而连续变化，铁棒长度l 随着温度u 的变化而连续变化等。

它们的共同特性是：一方面在变化，另一方面是在逐渐变化的。

可在很短一段时间内，T 的变化很小；同样当温度u 变化很小时，l 的变化也很小。

这些现象反映在数学上就是自变量有一个微小的变化时，函数的变化也是微小的。

下面我们就专门来讨论这种概念。

一、函数的连续性1. 预备知识改变量：设变量u 从它的一个初值1u 变到终值2u ，终值与初值的差21u u -，就叫u 的改变量，记作21u u u ∆=-。

改变量也叫增量。

注意：①1u ，2u 并不是u 可取值的起点和终点，而是u 变化过程中从1u 变到2u 。

②u ∆可正可负。

③u ∆是一个整体记号，不是某个量∆与变量u 的乘积。

2. 函数()y f x =在0x x =定义1 当自变量x 在点0x 的改变量x ∆为无穷小时，相应函数的改变量()()()()000y f x x f x f x f x ∆=+∆-=- 也是同一过程中的无穷小量，即0lim x y ∆→∆则称()f x 在0x 处连续，见图1-37.定理1 ()f x 在0x 处连续的充要条件是()()00lim x x f x f x →=。

证明 由定义1，()()()()()000000lim 0lim lim lim 0lim .x x x x x x x x x y f x f x f x f x f x ∆→→→→→∆=⇔⎡⎣⇔-=⇔=由定理1，我们可将定义1改写为以下定义2.定义2 如果0ε∀>，0δ∃>，当0x x δ-<时，有()()0f x f x ε-<，则()f x 在0x 处连续。

3. 函数()y f x =在点0x 连续的要求⑴()f x 在点0x 有意义，即有确定的函数值()0f x ； ⑵()0lim x x f x →存在；⑶极限值=函数值，即()()00lim x x f x f x →=。

这三要素缺一不可。

4. 连续与极限的区别当()f x 在0x 处有极限时，()f x 在0x 处可无定义，也可有()()00lim x x f x f x →≠。

而当()f x 在0x 处连续时，()f x 在0x 一定有意义并且()()00lim x x f x f x →=必成立。

所以，函数()y f x =在点0x 处连续，则函数()y f x =在0x 点处必有极限，反之不成立。

5. 左右连续定义3 如果()()()000lim 0x x f x f x f x +→=+=，则称()f x 在0x 处右连续；如果()()()000lim 0x x f x f x f x -→=-=，则称()f x 在0x 处左连续。

所以()f x 在0x 处连续亦可用以下定义描述。

定义4 若()()()00000f x f x f x +=-=，即函数()y f x =在点0x 处左极限等于右极限等于函数值，则函数()y f x =在点0x 处连续。

6. ()f x 在某区间连续⑴()f x 在(),a b 内连续是指()0,x a b ∀∈，()f x 在0x 处连续。

⑵()f x 在[],a b 上连续是指()f x 在(),a b 内连续，在x a =点右连续，在x b =点左连续。

注意：证明分断点处的连续性时一定要用定义4.若()f x 在(),a b 内连续，则称(),a b 为()f x 的连续区间。

7. 连续函数的几何意义连续函数()y f x =的图形是一条不断开的曲线。

例1 证明()31y f x x ==+在1x =处连续。

证明 注意()()()113113113y f x f x x ∆=+∆-=+∆+-⨯-=∆⎡⎤⎣⎦，所以lim lim 3x x y x ∆→∆→∆=∆从而y 在1x =处连续。

例2 讨论()1,01,01,0x x f x x x x ->⎧⎪==⎨⎪+<⎩在0x =处的 连续性。

解 因为()()()000lim lim 11x x f f x x ++→→+==-=， ()()()000lim lim 11x x f f x x --→→-==+=， ()01f =，所以()()()00000f f f +=-=。

由定义4，()f x 在0x =处连续，见图1-38.例3 证明多项式函数在(,)-∞+∞内连续。

证明 设()1011n n n n P x a x a x a x a --=++++。

由极限运算法则知0(,)x ∀∈-∞+∞，()()101110010100lim (lim )(lim )lim n n n nx x x x x x x x n n n n P x a x a x a x a a x a xa x a P x --→→→→--=++++=++++=由0x 的任意性知()P x 在(,)-∞+∞内连续。

例4 证明有理函数()()()P x F x Q x =（P 为m 次多项式，Q 为n 次多项式），在 ()0Q x ≠点处处连续。

证明 0(,)x ∀∈-∞+∞，且()00Q x ≠，有()()()()()()()()00000lim lim lim x x x x x x P x P x P x F x F x Q x Q x Q x →→→====，所以()F x 在其定义域内处处连续。

例5 求证sin y x =在(,)-∞+∞内连续。

证明 (,)x ∀∈-∞+∞，给x 一个增量()x x x x ∆=+∆-，则2sin()sin 2sin cos22x x xy x x x ∆+∆∆=+∆-=， 从而000lim lim 2sin cos lim 2cos 02222x x x x x x x y x x ∆→∆→∆→∆∆∆∆⎛⎫⎛⎫∆=+=+= ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭，所以sin y x =在x 点连续。

由x 的任意性知sin x 在(,)-∞+∞内连续。

例6 证明cos y x =在(,)-∞+∞内连续。

证明 (,)x ∀∈-∞+∞，()x x x x ∆=+∆-，有cos()cos 2sin sin 22x x y x x x x ∆∆⎛⎫∆=+∆-=-+ ⎪⎝⎭， 所以000lim 2lim sin sin 2lim sin 02222x x x x x x x y x x ∆→∆→∆→∆∆∆∆⎛⎫⎛⎫∆=-+=-+= ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭，所以cos x 在(,)-∞+∞内连续。

二、函数的间断点与函数的连续性相对的概念是函数的间断性。

1. 间断点的定义若()f x 在点0x 处不连续，则称0x 为()f x 的一个间断点。

函数间断的几何解释是()f x 的图形在0x x =处断开。

例7 讨论()2,00,02,0x x y f x x x x -<⎧⎪===⎨⎪+>⎩的间断点。

解 注意 ()()()()()()()000,00lim lim 22,00lim lim 2xx x x f f f x x f f x x +-→→→→=+==+=-==- 可见()()()00000f f f +≠-≠，所以()f x 在0x =处不连续，即0x =为()y f x =的间断点。

这种()()0000f x f x +≠-的间断点，我们称其为跳跃间断点，见图1-39. 2. 间断点的分类函数()f x 在0x ⑴()f x 在0x 点无意义，即()0f x 不存在； ⑵()f x 在0x 点极限不存在，即()0lim x x f x →不存在；⑶极限值≠函数值，即()()00lim x x f x f x →≠。

我们称左右极限都存在的间断点为第一类间断点；其余间断点统称为第二类间断点。

进而，设0x 为()f x 的第一类间断点，如果还有()()0000f x f x +=-，则称0x 为()f x 的可去间断点；如果有()()0000f x f x +≠-，则称0x 为()f x 的跳跃间断点。

下表给出了间断点的分类情况。

()()()()()()()()()00000000000lim 0000x x f x f x f x f x f x f x f x f x f x →⎧⎧⎧⎪⎪⎪+=-⎨⎪≠⎪⎪⎩⎪+-⎪⎪⎨⎨⎪⎪+≠-⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎩无意义：可补充定义可去间断点第一类间断点：可修改定义和间断点均存在不可去间断点（跳跃间断点）第二类间断点：除去第一类均为第二类间断点3. 函数的连续区间讨论函数的连续区间，就是在其定义域内排除间断点，主要在分段点、端点来考虑是否为间断点。

例8 研究tan y x =在2x π=处的连续性。

解 因为tan y x =在2x π=处无意义，所以2x π=是间断点。

又因为2lim tan x x π→=∞，即极限不存在，所以2x π=属第二类间断点，通常称其为无穷间断点，见图1-40.例9 讨论1sin y x=在0x =点的连续性。

解 因为1sin y x =在0x =处无意义，且01limsin x x →不存在，所以0x =为y 的第二类间断点。

这时，1sin y x =在-1和1通常称其为振荡间断点，见图1-41. 例10讨论211x y x -=-在点1x =解 因为y 在1x =处无意义，故1x =为间断点。

但111(1)(1)lim lim lim(1)1x x x x x y x x →→→-+==+-(1)2y =函数21,112,1x x y x x ⎧-≠⎪=-⎨⎪=⎩在定义域内处处连续。

例11 讨论,11,12x x y x ≠⎧⎪=⎨=⎪⎩在点1x =处的连续性，见图1-42.解 注意1(1)2y =而11lim lim 1(1)x x y x y →→==≠所以1x =为第一类可去间断点，修改定义(1)y 1=后，则函数,11,1x x z x ≠⎧=⎨=⎩处处连续，称函数z 为函数,11,12x x y x ≠⎧⎪=⎨=⎪⎩的连续延拓函数。

习题1.91.设函数()2,012,12x x f x x x ⎧≤≤=⎨-<≤⎩，试讨论()f x 在1x =处的连续性。

2.指出下列函数的间断点，并指明是哪一类间断点。

（1）()22132x f x x x -=-+； （2）()211f x x =-；（3）()1x f x e =； （4）()1cos f x x =3.设()()11xf x x =+，问怎样补充定义()0f ，才能使()f x 在0x =处连续。