4.1 第二次作业参考答案

4.1.1 讲义习题2.3

例 4.1.1 (习题2.3.6)设f:(a,b)→R是一个有界函数,g:(a,b)→R满足g(x)=supt∈[a,x]f(t)。

(1)

证明:g单调不减。

(2)

证明:若f是连续函数,则g也是连续函数。

(3)

如果不假定f是连续函数,那么g是否为连续函数?是否具有单侧连续性?

解 (1) ∀x1,x2∈(a,b),若x1≤x2,则(1)[a,x1]⊆[a,x2]⟹supt∈[a,x1]f(t)≤supt∈[a,x2]f(t)⟹g(x1)≤g(x2)

(2) 由于f连续,故∀x0∈(a,b),∀ε>0,∃δ>0使得(2)x∈(a,b)∧|x−x0|<δ⟹f(x0)−ε<f(x)<f(x0)+ε≤g(x0)+ε 当x∈[x0,x0+δ)时,有(3)g(x0)≤g(x)=max{g(x0),supt∈[x0,x]f(t)}≤max{g(x0),g(x0)+ε}=g(x0)+ε 当x∈(x0−δ,x0]时,有(4)g(x)≤g(x0)=max{g(x),supt∈[x,x0]f(t)}≤max{g(x),f(x0)+ε} 若g(x)≥f(x0)+ε,则有g(x)=g(x0);若g(x)<f(x0)+ε,则有(5)g(x0)≤f(x0)+ε⟹g(x0)≥g(x)≥f(x)>f(x0)−ε≥g(x0)−2ε 综上所述,我们有(6)|g(x)−g(x0)|<2ε⟹g∈C(a,b)

(3) 不是。设f单调不减,f(x0−)<f(x0)<f(x0+),容易验证g(x0−)=f(x0−)<g(x0)=f(x0)<g(x0+)=f(x0+),故g在x0处不连续,也不具有单侧连续性。 ◻

例 4.1.2 (习题1.6.1,习题2.3.8前身)三角函数的基本性质及其推论。正弦和余弦sin,cos是定义在R上的函数,满足:存在正数π>0使得

(a)

cos⁡0=sin⁡π2=1,cos⁡π=−1。

(b)

∀x,y∈R,(7)cos⁡(x−y)=cos⁡xcos⁡y+sin⁡xsin⁡y

(c)

∀x∈(0,π2),(8)0<cos⁡x<sin⁡xx<1cos⁡x

我们把(a,b,c)作为三角函数sin,cos的基本性质,用它们得到这两个函数的其他性质。证明:

(1)

∀x∈R,sin2⁡x+cos2⁡x=1。

(2)

sin⁡0=sin⁡π=cos⁡π2=0。

(3)

∀x∈R,(9)cos⁡(−x)=cos⁡x,cos⁡(π2−x)=sin⁡x,cos⁡(π−x)=−cos⁡x;

(4)

∀x∈R,(10)sin⁡(−x)=−sin⁡x,sin⁡(π2+x)=cos⁡x,cos⁡(π2+x)=−sin⁡x,sin⁡(π+x)=−sin⁡x,cos⁡(π+x)=−cos⁡x,sin⁡(2π+x)=sin⁡x,cos⁡(2π+x)=cos⁡x;

(5)

∀x,y∈R,(11)cos⁡(x+y)=cos⁡xcos⁡y−sin⁡xsin⁡y,sin⁡(x+y)=sin⁡xcos⁡y+cos⁡xsin⁡y;sin⁡x−sin⁡y=2sin⁡x−y2cos⁡x+y2,cos⁡x−cos⁡y=−2sin⁡x−y2sin⁡x+y2;

(6)

∀x∈R,(12)sin⁡2x=2sin⁡xcos⁡x,cos⁡2x=cos2⁡x−sin2⁡x=2cos2⁡x−1=1−2sin2⁡x;sin⁡3x=3sin⁡x−4sin3⁡x,cos⁡3x=4cos3⁡x−3cos⁡x;

(7)

∀x∈(0,π2),(13)0<cos⁡x<sin⁡xx<1

(8)

sin在[−π2,π2]上严格增,cos在[0,π]上严格减。

(9)

sin,cos的最小正周期是2π。

(10)

cos⁡π6=32,sin⁡π6=12,cos⁡π4=sin⁡π4=22。

(11)

利用(10)中的结果,计算sin⁡kπ12(k=0,1,2,⋯,12)。

(12)

3<π<63<3.5。

(13)

π2是cos在区间[0,3]内的唯一零点。

(14)

记tan⁡x:=sin⁡xcos⁡x,证明:tan在(−π2,π2)上有定义,且是奇函数、严格增,并满足(14)tan⁡(x−y)=tan⁡x−tan⁡y1+tan⁡xtan⁡y,∀0<y<x<π2

(15)

sin,cos究竟是什么?

证明 (1) 利用(b),取x=y即可得到。

(2) 利用(a)(1),分别取x=0,π2,π即可得到。

(3) 利用(a)(b)(2),分别取x=0,π2,π即可得到。

(4) 利用(a)(b)(2),注意到(15)sin⁡(−x)=cos⁡(π2+x)=−cos⁡(π2−x)=−sin⁡x 分别取(x,y)=(π2+x′,π2),(π+x′,π)即可得到(16)sin⁡(π2+x)=cos⁡x,cos⁡(π+x)=−cos⁡x 因此(17)sin⁡(π+x)=cos⁡(π2+x)=−cos⁡(π2−x)=−sin⁡x 故有(18)sin⁡(2π+x)=−sin⁡(π+x)=sin⁡x,cos⁡(2π+x)=cos⁡(π+x)=−cos⁡x

(5) 利用(b),取y=−y′即可得到cos的和角公式,再注意到(19)sin⁡(x+y)=cos⁡(π2−x−y)=cos⁡(π2−x)cos⁡y+sin⁡(π2−x)sin⁡y=sin⁡xcos⁡y+cos⁡xsin⁡y 只需注意到x=x−y2+x+y2,y=−x−y2+x+y2即可得到和差化积公式。

(6) 利用(5),对和角公式取x=y即可得到倍角公式;取y=2x即可得到三倍角公式。

(7) 利用(6),∀x∈(0,π2),由倍角公式可得(20)sin⁡2x2x=sin⁡xx⋅cos⁡x<1cos⁡x⋅cos⁡x=1 取x′=x2即可。

(8) 利用(1)(3)(5)(7),我们知道∀x∈(−π2,π2)有0<cos⁡x≤1,∀x∈(0,π)有0<sin⁡x≤1。不妨设−π2≤y<x≤π2,则有0<x−y2<π2且−π2<x+y2<π2,由和差化积可得(21)sin⁡x−sin⁡y>0 不妨设0≤y<x≤π,则有0<x−y2≤x+y2<π,由和差化积可得(22)cos⁡x−cos⁡y>0 得证。

(9) 由于sin⁡(−π2)=−1且sin⁡π2=1,cos⁡0=1且cos⁡π=−1,sin,cos的最小正周期T>π。由(4)知2π是sin,cos的周期。假设存在T∈(π,2π)为sin,cos的周期,利用(8)可知(23)1=cos⁡0=cos⁡T=−cos⁡(T−π)<−cos⁡(2π−π)=1,−1=sin⁡(−π2)=sin⁡(T−π2)=−sin⁡(T−3π2)>−sin⁡(2π−3π2)=−1 矛盾。故sin,cos的最小正周期是2π。

(10) 设x=cos⁡π6,则有0=cos⁡π2=4x3−3x=4x(x2−34),由于0<x<1,解得x=cos⁡π6=32,因此sin⁡π6=1−cos2⁡π6=12。同理,由倍角公式可得cos⁡π4=sin⁡π4=22。

(11) 注意到(24)sin⁡π12=sin⁡(π4−π6)=6−24 因此(25){sin⁡kπ12}k=012={0,3−122,12,12,32,3+122,1,3+122,32,12,12,3−122,0}

(12) 注意到(26)32=cos⁡π6<sin⁡π6π6<1⟹3<π<63<72

(13) 利用(2)(8),cos在[0,π]⊇[0,3]上严格减,cos⁡π2=0,因此π2是cos在区间[0,3]内的唯一零点。

(14) 不妨设−π2<x<y<π2,则0<cos⁡x≤1且0<x−y<π,因此(27)tan⁡(−x)=sin⁡(−x)cos⁡(−x)=−sin⁡xcos⁡x=−tan⁡xtan⁡x−tan⁡y=sin⁡xcos⁡x−sin⁡ycos⁡y=sin⁡xcos⁡y−sin⁡ycos⁡xcos⁡xcos⁡y=sin⁡(x−y)cos⁡xcos⁡y>0 因此tan是奇函数、严格增。∀0<y<x<π2,注意到(28)tan⁡(x−y)=sin⁡(x−y)cos⁡(x−y)=sin⁡xcos⁡y−sin⁡ycos⁡xcos⁡xcos⁡y+sin⁡xsin⁡y=tan⁡x−tan⁡y1+tan⁡xtan⁡y

(15) 略。 ◻

例 4.1.3 (习题2.3.8)三角函数的值域、反三角函数。

(1)

证明:sin,cos的值域为[−1,1]。

(2)

证明:在区间[0,π]上,cos有连续的反函数arccos:[−1,1]→[0,π];在区间[−π2,π2]上,sin有连续的反函数arcsin:[−1,1]→[−π2,π2]。

证明 (1) 由习题1.6.1可知sin在[−π2,π2]上严格增,cos在[0,π]上严格减,且sin,cos连续,故(29)sin⁡[−π2,π2]=[−1,1],cos⁡[0,π]=[−1,1] 由于sin,cos的最小正周期是2π,且(30)sin⁡(π+x)=−sin⁡x,cos⁡(π+x)=−cos⁡x 故sin,cos的值域为[−1,1]。

(2) 由于sin在[−π2,π2]上连续且严格增,故存在连续的反函数;cos同理。 ◻

4.1.2 讲义习题2.4

例 4.1.4 (习题2.4.2)关于极限limx→∞x2+1x2−1,有人认为:当x充分大时,x2+1≈x2,x2−1≈x2,所以x2+1x2−1≈1,从而limx→∞x2+1x2−1=1。请问这样的说法成立吗?为什么?作为一个对照,请讨论极限limx→+∞(x2+xα−x),其中0<α<2。

解 不成立,因为“≈”是一个不良定义的符号,余项必须要用类似o的符号表示出来。事实上,我们有(31)x2+1x2−1=[1+2x2−1]1/2=1+1x2+o(1x2),x→∞ 对于另一个极限,则有(32)x2+xα−x=x[(1+xα−2)1/2−1]=12xα−1+o(xα−1),x→∞ 因此(33)limx→+∞(x2+xα−x)={0,0<α<112,α=1∞,1<α<2 ◻

例 4.1.5 (习题2.4.3)设0<a<b,f(x)=(ax+bx2)1/x。求极限limx→+∞f(x)和limx→−∞f(x)。

解 注意到(34)limx→+∞f(x)=blimx→+∞[(ab)x+12]1/x=bexp⁡limx→+∞ln⁡(ab)x+12x=bexp⁡0=blimx→−∞f(x)=alimx→−∞[(ba)x+12]1/x=aexp⁡limx→−∞ln⁡(ba)x+12x=aexp⁡0=a ◻

例 4.1.6 (习题2.4.8)用Excel计算以下数列(1+1n)n、(1+1n)n+1、(1+1n)n+λ(0<λ<1)和∑k=0n1k!,观察它们的单调性并比较它们的收敛速度。

解 分别取λ=0,14,12,34,1,计算以上6个数列与其极限e的差,如表4.1.2所示。观察可知:

◻

n λ=0 λ=14 λ=12 λ=34 λ=1 ∑k=0n1k!−e
1 -7.1828E-01 -3.3987E-01 1.1015E-01 6.4530E-01 1.2817E+00 -7.1828E-01
2 -4.6828E-01 -2.2825E-01 3.7394E-02 3.3137E-01 6.5672E-01 -2.1828E-01
3 -3.4791E-01 -1.7115E-01 1.8786E-02 2.2289E-01 4.4221E-01 -5.1615E-02
4 -2.7688E-01 -1.3681E-01 1.1293E-02 1.6789E-01 3.3348E-01 -9.9485E-03
5 -2.2996E-01 -1.1392E-01 7.5362E-03 1.3466E-01 2.6770E-01 -1.6152E-03
6 -1.9666E-01 -9.7581E-02 5.3859E-03 1.1240E-01 2.2362E-01 -2.2627E-04
7 -1.7178E-01 -8.5338E-02 4.0409E-03 9.6454E-02 1.9200E-01 -2.7860E-05
8 -1.5250E-01 -7.5823E-02 3.1436E-03 8.4470E-02 1.6823E-01 -3.0586E-06
9 -1.3711E-01 -6.8215E-02 2.5153E-03 7.5134E-02 1.4969E-01 -3.0289E-07
10 -1.2454E-01 -6.1995E-02 2.0582E-03 6.7656E-02 1.3483E-01 -2.7313E-08
11 -1.1408E-01 -5.6813E-02 1.7153E-03 6.1531E-02 1.2266E-01 -2.2606E-09
12 -1.0525E-01 -5.2431E-02 1.4515E-03 5.6423E-02 1.1251E-01 -1.7288E-10
13 -9.7681E-02 -4.8677E-02 1.2442E-03 5.2099E-02 1.0390E-01 -1.2286E-11
14 -9.1130E-02 -4.5424E-02 1.0784E-03 4.8389E-02 9.6523E-02 -8.1490E-13
15 -8.5403E-02 -4.2578E-02 9.4362E-04 4.5173E-02 9.0122E-02 -5.0182E-14
16 -8.0353E-02 -4.0068E-02 8.3263E-04 4.2358E-02 8.4517E-02 0.0000E+00
17 -7.5867E-02 -3.7837E-02 7.4013E-04 3.9873E-02 7.9569E-02 0.0000E+00
18 -7.1856E-02 -3.5842E-02 6.6224E-04 3.7663E-02 7.5168E-02 0.0000E+00
19 -6.8248E-02 -3.4046E-02 5.9602E-04 3.5686E-02 7.1228E-02 0.0000E+00
20 -6.4984E-02 -3.2422E-02 5.3927E-04 3.3905E-02 6.7681E-02 0.0000E+00
表 4.1.1: 6个计算e的数列的收敛速度

例 4.1.7 (习题2.4.9)证明:

(1)

数列cn=1+11!+⋯+1n!+1n!⋅n严格减,且limn→∞cn=e。

(2)

∀n∈N∗,都有(35)1(n+1)!<e−(1+11!+⋯+1n!)<1n!⋅n

(3)

limn→+∞nsin⁡(2πn!⋅e)=2π。

(4)

e是无理数。

证明 (1) 注意到(36)cn+1−cn=1(n+1)!⋅(n+1)+1(n+1)!−1n!⋅n=−1n!⋅n(n+1)2<0 故{cn}严格减且有下界1,故极限存在。记an:=∑k=0n1k!,则有(37)cn=an+1n!⋅n⟹limn→∞cn=limn→∞an+0=e

(2) 由于{cn}严格减且极限为e,{an}严格增且极限为e,故(38)an+1<e<cn⟹1(n+1)!<e−(1+11!+⋯+1n!)<1n!⋅n

(3) 注意到an⋅n!必为整数,故有(39)n!⋅an+1n+1=n!⋅(an+1(n+1)!)<n!⋅e<n!⋅(an+1n!⋅n)=n!⋅an+1n 因此(40)nsin⁡2πn+1<nsin⁡(2πn!⋅e)<nsin⁡2πn 上述不等式两侧的极限均存在且为2π,由夹挤定理可得(41)limn→+∞nsin⁡(2πn!⋅e)=2π

(4) 设e∈Q,则∃M,N∈N∗使得e=MN,则∀n>N,均有nsin⁡(2πn!⋅e)=0,与(3)矛盾。故e是无理数。 ◻

例 4.1.8 (习题2.4.10)证明:

(1)

∀n∈N∗,(1+1n)n<e<(1+1n)n+1。

(2)

∀n∈N∗,1n+1<ln⁡(n+1)−ln⁡n<1n。

(3)

数列an=1+12+13+⋯+1n−ln⁡n单调递减。

(4)

数列bn=1+12+13+⋯+1n−ln⁡(n+1)单调递增。

(5)

limn→+∞an和limn→+∞bn存在且相等,这个共同的极限值γ称为Euler常数。以an作为γ的近似值,并确保误差小于10−4,问n至少应该是多少?

(6)

limn→+∞(1−12+13−⋯+(−1)n−1n)=ln⁡2。

(7)

∀a≥0,∀m∈N∗,limn→+∞∑k=nmn1k+a=ln⁡m。

证明 (1)(2) 可参考例4.1.9。(3)(4)可由(2)直接推出。

(5) 由(3)(4)可知{an}严格减且有下界b1,{bn}严格增且有上界a1,故两个极限均存在,且显然相等。若以an作为γ的近似值,令(42)f(x):=ln⁡(1+x)−x+x22(1+x) ∀x≥0,有(43)f(3)(x)=−1+2x(1+x)4≥−1,f(4)(x)=6(1−x)(1+x)5≤6 取x0∈(0,12),由带Lagrange余项的Taylor展开可得∃ξ,η∈(0,x0),使得(44)−16x3≤f(3)(ξ)3!x3=ln⁡(1+x)−x+x22(1+x)2=−x36+f(4)(η)4!x4≤−x36+x44 设m>n≥1,则(45)an−am=∑k=nm−1(ln⁡1+kk−1k+1)≥∑k=nm−1(1k−12k(k+1)−16k3−1k+1)=12(1n−1m)−∑k=nm−116k3an−am=∑k=nm−1(ln⁡1+kk−1k+1)≤∑k=nm−1(1k−12k(k+1)−16k3+14k4−1k+1)=12(1n−1m)+∑k=nm−1(14k4−16k3) 令m→+∞可得(46)12n−∑k=n+∞16k3≤an−γ≤12n+∑k=n+∞(14k4−16k3) 采用积分放缩可得(47)0≤12n−112n2≤an−γ≤12n+112(n−1)3−112n2 令(48)ε1(n)=12(n−1)−112(n−1)2>10−4ε2(n)=12n+112(n−1)3−112n2≤10−4 解得(49)4999.83≤n<5000.83 故n=5000。

(6) 注意到(50)a2n−an=∑k=12n(−1)k−1k−ln⁡2 令n→+∞可得(51)γ−γ=limn→+∞∑k=12n(−1)k−1k−ln⁡2⟹limn→+∞∑k=12n(−1)k−1k=ln⁡2 此外还有(52)limn→+∞∑k=12n−1(−1)k−1k=limn→+∞∑k=12n(−1)k−1k+limn→+∞12n=ln⁡2 综合以上两种情况可得(53)limn→+∞∑k=1n(−1)k−1k=ln⁡2

(7) 注意到(54)amn−an=∑k=nmn1k−1n−ln⁡m 令n→+∞可得(55)γ−γ=limn→+∞∑k=nmn1k−0−ln⁡m⟹limn→+∞∑k=nmn1k=ln⁡m 设⌈a⌉=dm+r,其中d∈N、r∈[0,m)∩N,则(56)∑k=nmn1k≥∑k=nmn1k+a≥∑k=nmn1k+dm+r≥∑k=n+dm(n+d)1k−∑k=n+dn+⌈a⌉1k≥∑k=n+dm(n+d)−⌈a⌉n 令n→+∞,由夹挤定理可得(57)limn→+∞∑k=nmn1k+a=ln⁡m ◻

例 4.1.9 (习题2.4.10关联例题)在第一次习题课中,我们证明了(58)an:=(1+1n)n<(1+1n+1)n+1<(1+1n+1)n+2<(1+1n)n+1=:bn 因此{an}严格增且有上界4,{bn}严格减且有下界2,故两者极限均存在且相等,记为e。记ln=loge,易见(59)an=(1+1n)n<e<(1+1n)n+1=bn 从而有(60)1n+1<ln⁡(1+1n)<1n 利用以上事实,证明数列(61)xn=1+12+13+⋯+1n−ln⁡n 收敛。

证明 注意到(62)xn+1−xn=1n+1−ln⁡(n+1)+ln⁡n=1n+1−ln⁡(1+1n)<0 故xn严格减,又(63)xn=∑k=1n1k−ln⁡n>∑j=1nln⁡(1+1k)−ln⁡n=ln⁡(1+1n)>0 即xn有下界0,故收敛。 ◻

例 4.1.10 (习题2.4.14)设an>0,limn→+∞an+1an=α。

(1)

设0≤A<α<B,证明∃N使得n≥N⟹A<an+1an<B,从而aNANAn<an<aNBNBn。

(2)

设α<1,证明limn→+∞an=0。

(3)

利用(1)证明limn→+∞ann=α。

证明 (1) 取ε=min{α−A,B−α},∃N>0使得(64)n>N⟹A−α≤−ε<an+1an−α<ε≤B−α⟹A<an+1an<B 从而(65)anaN=anan−1⋯aN+1aN<Bn−N⟹an<aNBNBnanaN=anan−1⋯aN+1aN>An−N⟹an>aNANAn

(2) 取B=1+α2∈(0,1),则(66)0<an<aNBNBn→n→+∞0≤limn→+∞an≤0⟹limn→+∞an=0

(3) 设0<A1<A3<α<A4<A2,由(1)可知∃N1>0使得(67)n>N1⟹A1<A3<an+1an<A4<A2 设N0满足(68)n>N0⟹A1n<aNA3NA3n<an<aNA4NA4n<A2n 这只需要(69)n>N0≥max{Nln⁡A3−ln⁡aNln⁡A3−ln⁡A1,ln⁡aN−Nln⁡A4ln⁡A2−ln⁡A4,0} 此时有(70)A1<ann<A2 故∀ε>0,∃A1,A2,A3,A4使得α−ε<A1<A3<α<A4<A2<α+ε,∃N=max{N0,N1}使得(71)n>N⟹α−ε<A1<ann<A2<α+ε⟹limn→+∞ann=α ◻

例 4.1.11 (习题2.4.15)设a>1及k>0,求limn→+∞ann!、limn→+∞nkan、limn→+∞n!nn。

解 利用习题2.4.14的结论可得(72)an+1/(n+1)!an/n!=an+1→0⟹limn→+∞ann!=0(n+1)k/an+1nk/an=(1+1n)ka→1a⟹limn→+∞nkan=0(n+1)!/(n+1)n+1n!/nn=1(1+1n)n→1e⟹limn→+∞n!nn=0 ◻

例 4.1.12 (习题2.4.17)求limn→+∞an、limn→+∞nn、limn→+∞ln⁡nn、limn→+∞nn!n、limn→+∞1⋅3⋯(2n−1)2⋅4⋯(2n)n。

证明 利用习题2.4.14的结论可得(73)aa=1⟹limn→+∞an=1n+1n→1⟹limn→+∞nn=1ln⁡(n+1)/(n+1)ln⁡n/n=nn+1ln⁡(n+1)ln⁡n→1⟹limn→+∞ln⁡nn=0(n+1)n+1/(n+1)!nn/n!=(1+1n)n→e⟹limn→+∞nn!n=ean+1an=2n+12n+2→1⟹limn→+∞1⋅3⋯(2n−1)2⋅4⋯(2n)n=1 其中(74)1<ln⁡(n+1)ln⁡n≤ln⁡n+ln⁡2ln⁡n→1⟹limn→+∞ln⁡(n+1)ln⁡n=1 ◻

例 4.1.13 (习题2.4.18)设a>1、k>0,求limx→+∞x1/x、limx→+∞ln⁡xxk、limx→+∞xkax、limx→0+xkln⁡x。

解 我们首先证明(75)limx→+∞ln⁡xxk=0 首先考虑离散的情况,注意到(76)ln⁡(n+1)/(n+1)kln⁡n/nk=(1+1n)kln⁡(n+1)ln⁡n→1⟹limn→+∞ln⁡nnk=0 设n=[x],则有(77)ln⁡(n+1)−ln⁡2(n+1)k≤ln⁡n(n+1)k<ln⁡xxk<ln⁡(n+1)nk≤ln⁡n+ln⁡2nk 由夹挤原理可得(78)limx→+∞ln⁡xxk=limn→+∞ln⁡nnk=0 因此(79)x1/x=exp⁡ln⁡xx→exp⁡0=1xkax=t=ax(loga⁡t)kt=1(ln⁡a)k(ln⁡tt1/k)k→1(ln⁡a)k⋅0k=0xkln⁡x=t=x−1−ln⁡ttk→−0=0 ◻

例 4.1.14 (习题2.4.19)设limn→+∞an=α。证明limn→+∞a1+a2+⋯+ann=α。

证明 由limn→+∞an=α可知∀ε>0,∃N>0使得n>N⟹|an−α|<ε,从而(80)|a1+a2+⋯+ann−α|=|∑i=1nai−αn|≤1n∑i=1N|ai−α|+n−Nnε 令n→+∞可得(81)limn→+∞|a1+a2+⋯+ann−α|≤ε 再令ε→0+即可得证。 ◻

4.1.3 讲义习题2.5

例 4.1.15 (习题2.5.4)

(1)

设f在x=0处连续,f(0)=0,并且limx→0f(2x)−f(x)x=λ,证明:(82)f(x)=λx+o(x),x→0

(2)

利用上述结果证明:(83)ex=1+x+x22+o(x2),x→0 用这个办法得到ex在x→0时的更高阶展开式。

(3)

求sin⁡x在x→0时的更高阶展开式。

解 (1) ∀ε>0,∃δ>0使得∀x∈I,(84)0<|x|<δ⟹|f(2x)−f(x)−λx|<ε|x| ∀k∈N∗,0<2−(k−1)≤|x|<δ,从而(85)|f(2−(k−1)x)−f(2−kx)−λ⋅2−kx|<ε⋅2−k|x| 因此∀n∈N∗(86)|f(x)−f(2−nx)−λx∑k=1n12k|≤ε|x|∑k=1n12k 令n→+∞可得(87)|f(x)−λx|≤ε|x|⟹f(x)=λx+o(x),x→0 得证。

(2) 设ex=1+x+xf(x),其中f(x)=o(1),注意到e2x=ex⋅ex,因此(88)1+2x+2xf(2x)=[1+x+xf(x)]2=1+2x+2xf(x)+x2+o(x2) 亦即(89)f(2x)−f(x)=x2+o(x)⟹f(x)=x2+o(x),x→0 因此(90)ex=1+x+x22+o(x2),x→0

(3) 设sin⁡x=x+xf(x),其中f(x)=o(1),注意到sin⁡2x=2sin⁡x1−sin2⁡x,因此(91)2x+2xf(2x)=2x[1+f(x)][1−x2+o(x2)]1/2=2x[1+f(x)−x22+o(x2)] 亦即(92)f(2x)−f(x)=−x22+o(x2)=o(x) 由例4.3.7的结论可知(93)f(x)=−x26+o(x2),x→0 因此(94)sin⁡x=x−x36+o(x3),x→0 ◻

1详细证明需要用到导数,此处略去。