5.3    习题课讲解
    
5.3.1    导数与微分
例 5.3.1 
 设在闭区间上连续,在开区间内可微。
    
- 
(1) 
 - 
证明:,若满足、且,则
    
 
- 
(2) 
 - 
证明:且,存在闭区间套使得
并且
    
 
- 
(3) 
 - 
利用(1)和(2)的结论证明,且,使得
    
 
- 
(4) 
 - 
利用(3)证明:若,,则在上单调不减;若,,则在上严格增。
    
 
- 
(5) 
 - 
利用(4)证明:若,,则在上为常数。
 
 
 
                                                                                               
                                                                                               
证明  
(1) 由在处可微可得,使得,
由于,故使得
从而有
即
    (2) 当已构造好时,我们继续构造。考虑该区间的中点,
     
- 若,则令,。
 
- 若,则必有,令,。
 
这样就构造出了闭区间套。
    (3) 取、,并依(2)构造闭区间套。由有界闭区间套定理可知,,且。由(1)可知
    (4) ,设,则使得
即在开区间上单调不减。
    在端点处,注意到且,、,则有
令、,由连续性可知
即在闭区间上单调不减。
    当时,只需要将上述证明中的红色不等号改为严格不等号即可。
    (5) 由(4)可知和均在上单调不减,故在上为常数。                                                 
     
例 5.3.2 
 设,
    
- 
(1) 
 - 
                                                                                               
                                                                                               
证明:可微,但在处不连续,并讨论在处的间断类型。
    
 
- 
(2) 
 - 
证明:,但在的任意邻域内,都不是单调函数。
    
 
- 
(3) 
 - 
例5.3.1中如果不假定,则结论不成立。
 
 
 
解   
(1) 当时,为初等函数的复合,故,且
它在时均无极限,故是的第二类间断点。当时,有
故可微。
    (2) ,取、,则
于是在包含的任何开区间内,都不是单调不减的;在包含的任何开区间内,都不是单调不增的。故,取足够大的使,于是在区间中都不是单调的。同理可证在区间中也不是单调的。
    (3) 由知存在使得。易见,而不成立。                                                                                                            
    
例 5.3.3 
设,记
    
- 
(1) 
 - 
求。
    
 
- 
(2) 
 - 
证明为的可去间断点。
                                                                                               
                                                                                               
    
 
- 
(3) 
 - 
记
讨论是否在处可微。在它可微时,讨论的连续性。
 
 
 
解   
(1) 为初等函数,因此
    (2) 注意到
    (3) 由(2)知
易见,注意到
因此在处可微当且仅当,此时
由于,故在处连续。                                                                                                                                
    
例 5.3.4 
在可导,,求
    
 
 
解   
注意到
因此
                                                                                               
                                                                                               
另解
    
注   
若使用换元法,需注意可能小于。
    
例 5.3.5 
设,考虑具有相同形状的一族椭圆
设是椭圆上一点,它不在椭圆的长轴或短轴上。证明:存在唯一的使得椭圆在点处的法线与椭圆相切。
    
 
 
解   
视椭圆方程为关于的隐函数,则
故椭圆在点处的切线和法线为
设该法线是椭圆在处的切线,则有
因此
这是关于的线性方程组,系数矩阵可逆,故存在且唯一。                                                                                                       
    
                                                                                               
                                                                                               
例 5.3.6 
 已知摆线的参数方程
    
- 
(1) 
 - 
证明:摆线方程在时确定了可微函数,并讨论的单调性。
    
 
- 
(2) 
 - 
证明:摆线满足微分方程。
 
 
     
证明  
(1) 注意到
由例5.3.1可知有可微的反函数,于是可微,由链索法则可得
故当,即时,函数严格增;当,即时,函数严格减。
    (2) 直接代入验证。                                                             
 
    
5.3.2    高阶导数
例 5.3.7 
设、且均二阶可导,求复合函数的二阶导数。
    
 
                                                                                               
                                                                                               
 
解   
由链索法则可得
    
例 5.3.8 
设二阶可微,。试用关于的导数与二阶导数表示函数的二阶导数。
    
 
 
解   
由链索法则可得
    
例 5.3.9 
 设在区间内满足,证明:
    
- 
(1) 
 - 
,,都有
    
 
- 
(2) 
 - 
且,以及,都有
满足上式的函数称为严格凸函数(下凸),满足相反不等式的函数称为严格凹函数(上凸)。若将上式中的严格不等号改为不等号,则称为凸函数或凹函数。
 
                                                                                               
                                                                                               
 
     
证明  
(1) 令
求导可知
故在上严格增。易见,故当时,即在严格减;当时,即在严格增。因此
    (2) 令
求导可知
故在上严格减。易见,由Rolle定理可知使得,故在上严格增、在上严格减。,从而
     
例 5.3.10 
在例5.3.6的基础上,
    
- 
(1) 
 - 
证明:摆线方程在时确定了函数。
    
 
- 
(2) 
 - 
求。
    
 
- 
(3) 
 - 
证明:摆线位于它的每条切线的下方(切点除外),即为严格凹函数。
 
 
                                                                                               
                                                                                               
 
解   
(1) 由例5.3.6知有反函数,从而是函数。
    (2) 由例5.3.6知
从而
    (3) 由例5.3.9知结论成立。                                                                                                                 
    
例 5.3.11 
讨论De Cartes叶形线的凹凸性。
    
 
 
解   
令,则
计算可知
所以当时,曲线下凸;当时,曲线下凸;当时,曲线上凸。                                                                                                     
    
例 5.3.12 
设为函数,求的阶导数表达式。
    
 
                                                                                               
                                                                                               
 
解   
易见,由高阶导数的Leibniz公式可得
    
例 5.3.13 
证明函数
是函数。
    
 
     
证明  
当时,为初等函数,从而是函数。当时,我们采用归纳法证明
其中表示的次迭代,均为多项式。
    (1) 当时,显然成立。
    (2) 设命题在时成立,则在时,有
因此
即亦为多项式。注意到
故。