没f(x)= { , xneq 0 0, x=0 . 其中g(x)有


题目解答
答案
解析:


解析
考查要点:本题主要考查分段函数的导数计算及导数的连续性判断,涉及分式函数求导、洛必达法则的应用,以及利用泰勒展开或极限分析函数在分段点处的连续性。
解题核心思路:
- 分段求导:对$x \neq 0$的情况直接应用商的求导法则;对$x=0$的情况,利用导数定义结合洛必达法则求解。
- 连续性分析:通过计算$x \neq 0$处的导数表达式验证连续性,重点分析$x=0$处导数的左右极限是否等于$f'(0)$。
破题关键点:
- 导数定义的应用:在$x=0$处,需通过极限定义求导,注意两次应用洛必达法则。
- 泰勒展开辅助分析:通过展开$g(x)$和$e^{-x}$至二阶项,简化极限计算。
(1) 求$f'(x)$
当$x \neq 0$时
对$f(x) = \dfrac{g(x) - e^{-x}}{x}$应用商的求导法则:
$f'(x) = \dfrac{[g'(x) + e^{-x}] \cdot x - [g(x) - e^{-x}] \cdot 1}{x^2} = \dfrac{xg'(x) - g(x) + (x+1)e^{-x}}{x^2}.$
当$x = 0$时
利用导数定义:
$f'(0) = \lim_{x \to 0} \dfrac{f(x) - f(0)}{x} = \lim_{x \to 0} \dfrac{g(x) - e^{-x}}{x^2}.$
两次应用洛必达法则:
- 第一次:分子分母均为$0$型,导数为$\dfrac{g'(x) + e^{-x}}{2x}$;
- 第二次:分子仍为$0$型,导数为$\dfrac{g''(x) - e^{-x}}{2}$;
代入$x=0$得:
$f'(0) = \dfrac{g''(0) - 1}{2}.$
综上:
$f'(x) =
\begin{cases}\dfrac{xg'(x) - g(x) + (x+1)e^{-x}}{x^2}, & x \neq 0, \\\dfrac{g''(0) - 1}{2}, & x = 0.\end{cases}$
(2) 讨论$f'(x)$的连续性
$x \neq 0$处
$f'(x)$的表达式为分式,分子分母均为连续函数(因$g(x)$二阶连续可导),故$f'(x)$在$x \neq 0$处连续。
$x = 0$处
计算$\lim\limits_{x \to 0} f'(x)$:
$\lim_{x \to 0} \dfrac{xg'(x) - g(x) + (x+1)e^{-x}}{x^2}.$
泰勒展开分析:
- $g(x) = 1 - x + \dfrac{g''(0)}{2}x^2 + o(x^2)$,
- $e^{-x} = 1 - x + \dfrac{x^2}{2} + o(x^2)$,
代入分子化简后得主部为$\dfrac{g''(0) - 1}{2}x^2$,故极限为$\dfrac{g''(0) - 1}{2}$,等于$f'(0)$。
因此,$f'(x)$在$x=0$处连续,进而$f'(x)$在$\mathbb{R}$上连续。