2.1 第一次作业参考答案

2.1.1 讲义习题1.3

例 2.1.1 (习题1.3.3,其余题目参见1.2.1节)设F为任一序域,证明∀x∈F,x2≥0,并且x2=0⟺x=0。

证明 ∀x∈F,

(1)

若x=0,则x2=0,命题成立。

(2)

若x∈F+,则x2=x⋅x∈F+,命题成立。

(3)

若−x∈F+,则(1)x2=(x+(−x))⋅(−x)+x⋅x=(−x)⋅(−x)+x⋅(x+(−x))=(−x)⋅(−x)∈F+ 命题成立。

综上,∀x∈F,x2≥0,并且x2=0⟺x=0。 ◻

2.1.2 讲义习题2.1

例 2.1.2 (习题2.1.2)用定义证明:若f,g都在x0处连续,且g(x0)≠0,则fg在x0处连续。

证明 由f在x0处连续,∀ε′>0,∃δ1>0使得(2)x∈U(x0,δ1)⟹|f(x)−f(x0)|<ε′ 由g在x0处连续,∀ε′>0,∃δ2>0使得(3)x∈U(x0,δ2)⟹|g(x)−g(x0)|<ε′ 因此(4)|g(x)|≥|g(x0)|−|g(x)−g(x0)|>|g(x0)|−ε′≥?12|g(x0)| 取0<ε′≤12|g(x0)|,δ=min{δ1,δ2}>0,则(5)x∈U(x0,δ)⟹|f(x)g(x)−f(x0)g(x0)|=|f(x)g(x0)−f(x0)g(x)g(x)g(x0)|=|[f(x)−f(x0)]g(x0)+f(x0)[g(x0)−g(x)]g(x)g(x0)|≤|f(x)−f(x0)||g(x0)|+|f(x0)||g(x0)−g(x)||g(x)||g(x0)|<|g(x0)|+|f(x0)||g(x0)|22ε′≤?ε 故取(6)ε′=12|g(x0)|min{1,|g(x0)|ε|g(x0)|+|f(x0)|} 因此fg在x0处连续。 ◻

例 2.1.3 (习题2.1.3)设f1,⋯,fn∈C(I),记g(x)=max{f1(x),⋯,fn(x)},证明g∈C(I)。

证明 参见例2.3.2。 ◻

例 2.1.4 (习题2.1.8)设f:R→R满足∀x,y∈R,(7)f(x+y)=f(x)+f(y) 证明:

(1)

∀x∈Q,f(x)=f(1)x。

(2)

若f连续,则∀x∈R,f(x)=f(1)x。

(3)

若f单调,则f连续。

证明 (1) 易见f(0)=0。令y=−x可得f(−x)=−f(x),故f为奇函数。借助数学归纳法可证明(8)f(nx)=nf(x),∀n∈N,x∈R 因此∀n∈Z,f(n)=f(1)n。∀x=mn∈Q,有f(m)=f(nx)=nf(x),故f(x)=1nf(m)=mnf(1)=f(1)x。

(2) 若f连续,任取x0∈R,则∀ε>0,∃δ>0使得∀x∈R,(9)|x−x0|<δ⟹|f(x)−f(x0)|<ε 令δ′=min{δ,ε}。由有理数的稠密性知∃r∈Q满足x0−δ′<r<x0+δ′,则有(10)|f(x0)−f(1)x0|=|f(x0)−f(r)−f(1)(x0−r)|≤|f(x0)−f(r)|+|f(1)||x0−r|<ε+|f(1)|δ′≤(1+|f(1)|)ε<?ε′ 取ε′=ε(1+|f(1)|)即可。因此,任取x0∈R,∀ε′>0都有(11)|f(x0)−f(1)x0|<(|f(1)|+1)ε=ε′⟹f(x0)=f(1)x0

(3) 若f单调,不妨设f单调不减,此时f(1)≥0。任取x0∈R,则∀ε>0,取特定δ>0,由有理数的稠密性知∃r1,r2∈Q满足x0−δ<r1<x0<r2<x0+δ,则有(12)f(x0)−ε<?f(1)r1≤f(x0)≤f(1)r2<?f(x0)+ε 若f(1)=0,则f(x0)=0对任意x0∈R恒成立,此时f连续;若f(1)>0,则有(13)f(1)r2<f(1)(r1+x0−r1+δ)<f(r1)+2δf(1)≤f(x0)+2δf(1)=f(x0)+εf(1)r1>f(1)(r2+x0−r2−δ)>f(r2)−2δf(1)≥f(x0)−2δf(1)=f(x0)−ε 取δ=ε2f(1)即可。 ◻

2.1.3 讲义习题2.2

例 2.1.5 (习题2.2.1)记f(x)=x2−3x+2x2−x,请用Excel计算f(1−0.1n)和f(1+0.1n),观察并思考其中出现的问题。

解 Excel的计算结果如下表所示。由于机器精度的限制,当n过大时计算机已不可区分1−0.1n和1,故在计算中会产生“除以零”错误。

n 1−0.1n 1+0.1n f(1−0.1n) f(1+0.1n)
1 0.9 1.1 −1.222222222 −0.818181818
2 0.99 1.01 −1.02020202 −0.98019802
3 0.999 1.001 −1.002002002 −0.998001998
4 0.9999 1.0001 −1.00020002 −0.99980002
5 0.99999 1.00001 −1.00002 −0.99998
6 0.999999 1.000001 −1.000002 −0.999998
7 0.9999999 1.0000001 −1.000000201 −0.999999796
8 0.99999999 1.00000001 −1.000000044 −1
9 0.999999999 1.000000001 −0.999999889 −1
10 1 1 −1 −1
11 1 1 −1 −1
12 1 1 −0.999888975 −1
13 1 1 −1.001109878 −1
14 1 1 −1.022222222 −1.022222222
15 1 1 −1.111111111 −1.2
16 1 1 −2 #DIV/0!
17 1 1 #DIV/0! #DIV/0!
18 1 1 #DIV/0! #DIV/0!
19 1 1 #DIV/0! #DIV/0!
表 2.1.1: Excel计算结果
◻

例 2.1.6 (习题2.2.2)(有理分式与根式,换元及四则运算)求极限:

(1)

limx→2x2−3x+2x3+x2−6x;

(2)

limx→axn−anx−a,其中n∈N∗;

(3)

limx→axm/n−am/nx−a,其中m,n∈N∗;

(4)

limx→01+x−1−x3x;

(5)

limx→41+2x−3x−2。

解 (1) 令h=x−2,则(14)x2−3x+2x3+x2−6x=(x−1)(x−2)x(x+3)(x−2)=x−1x(x+3)=h+1(h+2)(h+5)→110,x→2 (2) 令h=x−a,由二项式定理可得(15)xn−anx−a=(a+h)n−anh=∑k=1n(nk)hk−1an−k→nan−1,x→a (3) 令y=xn,则(16)xm/n−am/nx−a=ym−(a1/n)my−a1/ny−a1/nyn−(a1/n)n→m⋅a(m−1)/nn⋅a(n−1)/n=mnam/n−1,x→a (4) (17)1+x−1−x3x=1+x−1x+1−1−x3x=11+x+1+1(1−x)23+1−x3+1→12+13=56,x→0 (5) (18)1+2x−3x−2=1+2x−9x−4x+21+2x+3=2(x+2)1+2x+3→43,x→4 ◻

例 2.1.7 (习题2.2.3)(三角函数,换元及四则运算)求极限

(1)

limx→asin⁡x−sin⁡ax−a。

(2)

limx→acos⁡x−cos⁡ax−a。

(5)

limx→01−cos⁡xcos⁡2xcos⁡3x3x2。

解 (1) 令h=x−a,则x→a等价于h→0,因此(19)sin⁡x−sin⁡ax−a=sin⁡h2h2cos⁡(a+h2)→cos⁡a,h→0

(2) 令x=π2−t,则(20)limx→acos⁡x−cos⁡ax−a=x=π2−t−limt→π2−asin⁡t−sin⁡(π2−a)t−(π2−a)=−cos⁡(π2−a)=−sin⁡a

(5) (21)LHS=1−[1−12x2+o(x2)][1−12(2x)2+o(x2)]1/2[1−12(3x)2+o(x2)]1/3x2=1−[1−12x2+o(x2)][1−x2+o(x2)]1/2[1−32x2+o(x2)]1/3x2=12x2+x2+32x2+o(x2)x2→3,x→0 ◻