Core Definition
A piecewise function is a function whose mathematical rule is defined by multiple sub-functions, each applied over a specific sub-interval of the domain:
f ( x ) = { f 1 ( x ) : x โ D 1 f 2 ( x ) : x โ D 2 โฎ f(x) = \begin{cases} f_1(x) & : x \in D_1 \\ f_2(x) & : x \in D_2 \\ \vdots & \end{cases} f ( x ) = โฉ โจ โง โ f 1 โ ( x ) f 2 โ ( x ) โฎ โ : x โ D 1 โ : x โ D 2 โ โ
Concept Explanation
Piecewise functions model systems whose underlying physics or operating rules change depending on the input condition. Examples include tax brackets, step voltages, traffic lights, and structural loads along non-uniform beams.
Evaluating Limits of Piecewise Functions
To evaluate lim โก x โ a f ( x ) \lim_{x \to a} f(x) lim x โ a โ f ( x ) for a piecewise function:
Interior Points : If a a a lies strictly inside one sub-interval (e.g. a < c a < c a < c ), evaluate the limit using the corresponding sub-function rule directly.
Boundary Points : If a a a is a transition threshold between two pieces (e.g. x = c x = c x = c ), you must evaluate both directional limits:
Left-hand limit: lim โก x โ c โ f ( x ) \lim_{x \to c^-} f(x) lim x โ c โ โ f ( x ) using the formula for x < c x < c x < c .
Right-hand limit: lim โก x โ c + f ( x ) \lim_{x \to c^+} f(x) lim x โ c + โ f ( x ) using the formula for x > c x > c x > c .
Existence Check : Apply the Existence Theorem :
If lim โก x โ c โ f ( x ) = lim โก x โ c + f ( x ) = L \lim_{x \to c^-} f(x) = \lim_{x \to c^+} f(x) = L lim x โ c โ โ f ( x ) = lim x โ c + โ f ( x ) = L , then lim โก x โ c f ( x ) = L \lim_{x \to c} f(x) = L lim x โ c โ f ( x ) = L .
If they disagree, the limit is DNE due to a Jump Discontinuity .
Example Problems
Example Problem 1: Three-Piece Piecewise Function at Boundaries
Consider the function:
f ( x ) = { 0 : x < โ 5 25 โ x 2 : โ 5 โค x < 4 5 x : x โฅ 4 f(x) = \begin{cases} 0 & : x < -5 \\ \sqrt{25 - x^2} & : -5 \le x < 4 \\ 5x & : x \ge 4 \end{cases} f ( x ) = โฉ โจ โง โ 0 25 โ x 2 โ 5 x โ : x < โ 5 : โ 5 โค x < 4 : x โฅ 4 โ
Evaluate: (a) lim โก x โ โ 5 f ( x ) \lim_{x \to -5} f(x) lim x โ โ 5 โ f ( x ) and (b) lim โก x โ 4 f ( x ) \lim_{x \to 4} f(x) lim x โ 4 โ f ( x ) .
Solution
Part (a) โ Boundary at x = โ 5 x = -5 x = โ 5
Left limit (x < โ 5 x < -5 x < โ 5 ): lim โก x โ โ 5 โ ( 0 ) = 0 \lim_{x \to -5^-} (0) = 0 lim x โ โ 5 โ โ ( 0 ) = 0
Right limit (x > โ 5 x > -5 x > โ 5 ): lim โก x โ โ 5 + 25 โ ( โ 5 ) 2 = 0 = 0 \lim_{x \to -5^+} \sqrt{25 - (-5)^2} = \sqrt{0} = 0 lim x โ โ 5 + โ 25 โ ( โ 5 ) 2 โ = 0 โ = 0
Since both one-sided limits equal 0 0 0 :lim โก x โ โ 5 f ( x ) = 0 \lim_{x \to -5} f(x) = 0 x โ โ 5 lim โ f ( x ) = 0
Part (b) โ Boundary at x = 4 x = 4 x = 4
Left limit (x < 4 x < 4 x < 4 ): lim โก x โ 4 โ 25 โ ( 4 ) 2 = 9 = 3 \lim_{x \to 4^-} \sqrt{25 - (4)^2} = \sqrt{9} = 3 lim x โ 4 โ โ 25 โ ( 4 ) 2 โ = 9 โ = 3
Right limit (x > 4 x > 4 x > 4 ): lim โก x โ 4 + ( 5 x ) = 5 ( 4 ) = 20 \lim_{x \to 4^+} (5x) = 5(4) = 20 lim x โ 4 + โ ( 5 x ) = 5 ( 4 ) = 20
Since 3 โ 20 3 \neq 20 3 ๎ = 20 , the directional limits disagree:lim โก x โ 4 f ( x ) = DNE ( Jumpย Discontinuity ) \lim_{x \to 4} f(x) = \text{DNE} \quad (\text{Jump Discontinuity}) x โ 4 lim โ f ( x ) = DNE ( Jumpย Discontinuity )
Example Problem 2: Function Value vs Limit Value in Piecewise Definitions
Evaluate lim โก x โ 1 g ( x ) \lim_{x \to 1} g(x) lim x โ 1 โ g ( x ) and g ( 1 ) g(1) g ( 1 ) for:
g ( x ) = { 2 x + 1 : x < 1 6 : x = 1 x 2 + 2 : x > 1 g(x) = \begin{cases} 2x + 1 & : x < 1 \\ 6 & : x = 1 \\ x^2 + 2 & : x > 1 \end{cases} g ( x ) = โฉ โจ โง โ 2 x + 1 6 x 2 + 2 โ : x < 1 : x = 1 : x > 1 โ
Solution
Step 1: Left limit (x โ 1 โ x \to 1^- x โ 1 โ )
lim โก x โ 1 โ ( 2 x + 1 ) = 2 ( 1 ) + 1 = 3 \lim_{x \to 1^-} (2x + 1) = 2(1) + 1 = 3 x โ 1 โ lim โ ( 2 x + 1 ) = 2 ( 1 ) + 1 = 3
Step 2: Right limit (x โ 1 + x \to 1^+ x โ 1 + )
lim โก x โ 1 + ( x 2 + 2 ) = 1 2 + 2 = 3 \lim_{x \to 1^+} (x^2 + 2) = 1^2 + 2 = 3 x โ 1 + lim โ ( x 2 + 2 ) = 1 2 + 2 = 3
Step 3: Compare with function value
Limit: lim โก x โ 1 g ( x ) = 3 \lim_{x \to 1} g(x) = 3 lim x โ 1 โ g ( x ) = 3 (because both sides agree).
Function value: g ( 1 ) = 6 g(1) = 6 g ( 1 ) = 6 .
Conclusion: The value of g ( 1 ) = 6 g(1) = 6 g ( 1 ) = 6 does not alter the limit value lim โก x โ 1 g ( x ) = 3 \lim_{x \to 1} g(x) = 3 lim x โ 1 โ g ( x ) = 3 . The function exhibits a removable discontinuity (hole) at ( 1 , 3 ) (1, 3) ( 1 , 3 ) .
Connections & References