函数、极限与连续 / 分段函数连续与可导 / 分别计算左右极限、函数值与左右导数
已知 $f(x)=\begin{cases}ax^2+2x-1,&x<1\\b,&x=1\\\dfrac{x^2-1}{\sin(\sqrt{x}-1)},&x>1\end{cases}$ 在 $x=1$ 处连续,求 $a,b$ 的值.
正确答案
$a=3,\ b=4$
题目解析
【解析】由题设,$f(x)$ 在 $x=1$ 处连续,需满足
$$
\lim_{x \to 1^-} f(x) = f(1) = \lim_{x \to 1^+} f(x).
$$
左极限:当 $x \to 1^-$ 时,$f(x) = ax^2 + 2x - 1$,故
$$
\lim_{x \to 1^-} f(x) = a(1)^2 + 2(1) - 1 = a + 1.
$$
函数值:$f(1) = b$。
右极限:当 $x \to 1^+$ 时,$f(x) = \dfrac{x^2 - 1}{\sin(\sqrt{x} - 1)}$。令 $u = \sqrt{x} - 1$,则 $x = (u+1)^2$,当 $x \to 1^+$ 时,$u \to 0^+$,且
$$
x^2 - 1 = [(u+1)^2]^2 - 1 = (u+1)^4 - 1 = u^4 + 4u^3 + 6u^2 + 4u,
$$
但更简便方法是直接化简原式:
$$
\frac{x^2 - 1}{\sin(\sqrt{x} - 1)} = \frac{(x-1)(x+1)}{\sin(\sqrt{x} - 1)}.
$$
注意到 $x - 1 = (\sqrt{x} - 1)(\sqrt{x} + 1)$,故
$$
\frac{(x-1)(x+1)}{\sin(\sqrt{x} - 1)} = \frac{(\sqrt{x} - 1)(\sqrt{x} + 1)(x+1)}{\sin(\sqrt{x} - 1)}.
$$
令 $t = \sqrt{x} - 1$,则 $t \to 0$,且 $\sqrt{x} + 1 = t + 2$, $x + 1 = (t+1)^2 + 1 = t^2 + 2t + 2$,所以分子为 $t(t+2)(t^2 + 2t + 2)$,分母为 $\sin t$。于是
$$
\lim_{x \to 1^+} f(x) = \lim_{t \to 0} \frac{t(t+2)(t^2 + 2t + 2)}{\sin t} = \lim_{t \to 0} \left[ \frac{t}{\sin t} \cdot (t+2)(t^2 + 2t + 2) \right] = 1 \cdot 2 \cdot 2 = 4.
$$
因此,由连续性得:
$$
a + 1 = b = 4 \quad \Rightarrow \quad a = 3,\ b = 4.
$$
$$
\lim_{x \to 1^-} f(x) = f(1) = \lim_{x \to 1^+} f(x).
$$
左极限:当 $x \to 1^-$ 时,$f(x) = ax^2 + 2x - 1$,故
$$
\lim_{x \to 1^-} f(x) = a(1)^2 + 2(1) - 1 = a + 1.
$$
函数值:$f(1) = b$。
右极限:当 $x \to 1^+$ 时,$f(x) = \dfrac{x^2 - 1}{\sin(\sqrt{x} - 1)}$。令 $u = \sqrt{x} - 1$,则 $x = (u+1)^2$,当 $x \to 1^+$ 时,$u \to 0^+$,且
$$
x^2 - 1 = [(u+1)^2]^2 - 1 = (u+1)^4 - 1 = u^4 + 4u^3 + 6u^2 + 4u,
$$
但更简便方法是直接化简原式:
$$
\frac{x^2 - 1}{\sin(\sqrt{x} - 1)} = \frac{(x-1)(x+1)}{\sin(\sqrt{x} - 1)}.
$$
注意到 $x - 1 = (\sqrt{x} - 1)(\sqrt{x} + 1)$,故
$$
\frac{(x-1)(x+1)}{\sin(\sqrt{x} - 1)} = \frac{(\sqrt{x} - 1)(\sqrt{x} + 1)(x+1)}{\sin(\sqrt{x} - 1)}.
$$
令 $t = \sqrt{x} - 1$,则 $t \to 0$,且 $\sqrt{x} + 1 = t + 2$, $x + 1 = (t+1)^2 + 1 = t^2 + 2t + 2$,所以分子为 $t(t+2)(t^2 + 2t + 2)$,分母为 $\sin t$。于是
$$
\lim_{x \to 1^+} f(x) = \lim_{t \to 0} \frac{t(t+2)(t^2 + 2t + 2)}{\sin t} = \lim_{t \to 0} \left[ \frac{t}{\sin t} \cdot (t+2)(t^2 + 2t + 2) \right] = 1 \cdot 2 \cdot 2 = 4.
$$
因此,由连续性得:
$$
a + 1 = b = 4 \quad \Rightarrow \quad a = 3,\ b = 4.
$$