1.3 习题课讲解

1.3.1 不等式

在接下来的微积分学习中,我们常常借助各种不等式分析函数的性质或变化趋势。这一节我们将回顾一些常用的不等式。

定理 1.3.1 (Cauchy-Schwarz不等式)对任意实数a1,⋯,an,b1,⋯,bn,有(1)(∑i=1naibi)2≤(∑i=1nai2)(∑i=1nbi2). 等号成立当且仅当存在实数λ,使得对任意i=1,⋯,n,ai=λbi。

证明 Cauchy-Schwarz不等式是内积空间的天然结构。对于定义了内积⟨⋅,⋅⟩:V×V→F⊆R的线性空间(F,V),设u,v∈V,则有(2)⟨u,v⟩2≤⟨u,u⟩⟨v,v⟩

证明过程只需要考虑关于λ的二次函数(3)f(λ)=⟨u−λv,u−λv⟩=⟨u,u⟩−2λ⟨u,v⟩+λ2⟨v,v⟩≥0 的判别式Δ≤0即可。

对于本题需要证明的不等式,只需令V=Rn,u=(a1,⋯,an)T,v=(b1,⋯,bn)T,⟨u,v⟩=∑i=1naibi即可。

对于复线性空间,需要对上述证明稍加修改。 ◻

定理 1.3.2 (Bernoulli不等式)设x1,⋯,xn>−1,且对任意i,j∈{1,⋯,n},xixj≥0,则有(4)∏i=1n(1+xi)≥1+∑i=1nxi 等号成立当且仅当x1,⋯,xn中至多有一个非零。

证明 提示:利用数学归纳法,即(5)∏i=1n+1(1+xi)≥(1+xn+1)(1+∑i=1nxi)≥1+∑i=1n+1xi ◻

例 1.3.3 利用Bernoulli不等式证明:对任何正整数n和任何正数a,b,都有(6)abn≤(a+nbn+1)n+1 等号成立当且仅当a=b。并利用这个不等式证明对任何正整数n,都有(7)(1+1n)n<(1+1n+1)n+1<(1+1n+1)n+2<(1+1n)n+1

证明 提示:(8)(a+nbn+1)n+1=bn+1(1+ab−1n+1)n+1≥bn+1(1+ab−1n+1⋅(n+1))=abn 等号成立当且仅当ab=1,即a=b。

对于下面的不等式链,第二个不等号显然;第一个不等号可取a=1、b=1+1n;第三个不等号可取a=1、b=1−1n+1。 ◻

定理 1.3.4 (AM-GM不等式)利用上题中的不等式证明:对任何正整数n和任何非负数x1,⋯,xn,都有(9)x1⋯xn≤(x1+⋯+xnn)n 等号成立当且仅当x1=⋯=xn。

证明 提示:利用数学归纳法,记An=(x1+⋯+xn)/n,则(10)An+1n+1=(xn+1+nAnn+1)n+1≥xn+1Ann≥x1⋯xnxn+1 ◻

定理 1.3.5 (带权AM-GM不等式)对任何非负数x1,⋯,xn和任何正整数p1,⋯,pn都有(11)x1p1⋯xnpn≤(p1x1+⋯+pnxnp1+⋯+pn)p1+⋯+pn

证明 提示:令(12)y1=⋯=yp1=x1yp1+1=⋯=yp1+p2=x2⋮yp1+⋯+pn−1+1=⋯=yp1+⋯+pn=xn ◻

1.3.2 确界

除了一些基本概念以外,确界这部分内容中最重要的就是确界公理。

定理 1.3.6 (确界公理)任何非空有上(下)界的实数子集必有上(下)确界。

例 1.3.7 (阿基米德性质)对任意正数ε,存在正整数n使得1n<ε<n。

证明 提示:考虑集合(13)A={n∈N∗∣n≤1+ε} A非空有上界,故必有上确界n0,则n0−1不是A的上界。故存在m∈A,使得n0−1<m,即m+1>n0且m+1是正整数。所以m+1∉A,因此m+1>1+ε,即m>ε。

同理可证存在正整数m′使得m′>1ε。

取n=m+m′即可。 ◻

例 1.3.8 设a>1,ε>0。证明存在正整数m使得a−m<ε<am。

证明 提示:(14)am=(1+(a−1))m≥1+m(a−1)>m(a−1)>?ε+1ε ◻

例 1.3.9 证明:实数α是实数子集的上确界当且仅当

  • 任何比α小的有理数都不是A的上界。
  • 任何比α大的有理数都是A的上界。

证明 提示:必要性(⟹)显然。下证充分性(⟸),核心思想是反证法。

首先证明α是上界。假设α不是A的上界,则存在实数x∈A使得x>α。由有理数的稠密性(定理1.4.13),存在有理数r使得α<r<x。根据题设条件,r是A的上界,矛盾。

其次证明α是上确界。假设α不是A的上确界,则存在实数β<α是A的上界。由有理数的稠密性,存在有理数r使得β<r<α。根据题设条件,r不是A的上界,矛盾。 ◻

另证 ∀x>α,由有理数的稠密性,∃r∈(α,x)是A的上界,故x是A的上界;同理可证∀x<α,x都不是A的上界。

设A的上界集为U,则(α,+∞)⊆U⊆[α,+∞),故U=(α,+∞)或U=[α,+∞)。根据确界公理,U有最小值,故U=[α,+∞),即α是A的上确界。 ◻

例 1.3.10 设A,B是非空有上界的实数子集,且存在a0,b0>0满足a0∈A,b0∈B。记(15)AB={c∈R∣∃a,b>0 s.t. a∈A,b∈B,c≤ab} 证明AB非空有上界,且sup(AB)=supA⋅supB。

证明 提示:上(下)确界的另一种表述:若α是A的上界,且对任意ε>0,存在a∈A使得α−ε<a≤α,则α是A的上确界。

AB非空有上界显然,且supA⋅supB显然是AB的上界。下证supA⋅supB是AB的上确界。

对任意ε>0,取特定ε′>0,存在a∈A满足supA−ε′<a≤supA,存在b∈B满足supB−ε′<b≤B,则c=ab∈AB,且(16)supA⋅supB≥c>(supA−ε′)(supB−ε′)>supA⋅supB−ε′(supA+supB)=supA⋅supB−ε 取ε′=ε/(supA+supB)即可。

我们证明了对任意ε>0,存在c∈AB满足supA⋅supB−ε<c≤supA⋅supB,即supA⋅supB是AB的上确界。 ◻

1.3.3 关于乘方、开方、幂指对函数

例 1.3.11 设n是正整数。证明函数f:R+→R+,x↦xn是严格增满射。

证明 首先证明f是严格增的。常见误证(涉及循环论证):(17)x2>x1⟹x2nx1n=(x2x1)n>?1

参考证明1(直接相减):(18)x2>x1⟹x2n−x1n=(x2−x1)(x2n−1+x2n−2x1+⋯+x1n−1)>0

参考证明2(对n作数学归纳法):(19)x2>x1⟹x2n−x1n=x2(x2n−1−x1n−1)+x1n−1(x2−x1)>0

下证f是满射,其实就是证明xn(x>0)的存在性。提示:联想讲义 例1.4.7中利用Dekekind分割证明2的存在性,能否采用类似的方法?

令A={y∈R∣yn<x},其中x>0。首先0∈A,x是A的上界(利用严格增),故A非空有上界,故存在上确界α。下证αn=x。

若αn>x,则取ε>0,尝试(20)[α(1−ε)]n>αn(1−nε)≥?x 取(21)ε=αn−xnαn 则α不是最小上界,矛盾。

若αn<x,则取ε>0,尝试(22)[α(1+ε)]n<(α1−ε)n<αn1−nε≤?x 取(23)ε=x−αnnαn 则α不是上界,矛盾。

综上,αn=x,即f是满射。 ◻

例 1.3.12 设a>1,x>0,记(24)Ax={mn|n∈N∗,m∈Z,am≤xn} 证明:

(1)

Ax非空有上界。记loga⁡x=supAx。

(2)

对任意正数x,y,loga⁡(xy)=loga⁡x+loga⁡y,并且loga⁡a=1。

(3)

对任何有理数r和正数x,loga⁡xr=rloga⁡x。

(4)

loga:R+→R是严格增满射。

提示:

引理 1.3.13 若xq≤ap,则pq是Ax的上界。

证明如下:对任意mn∈Ax,有(25)amq=(am)q≤(xn)q=(xq)n≤(ap)n=apn 所以mq≤pn,即mn≤pq。

注 当0<a<1时,上述结论(2)(3)同样成立,此时loga⁡x是严格减满射,证明类似。

证明 (1) 令n=1,由阿基米德性质可知存在正整数m使得a−m<x<am。因此−m∈Ax,且m是Ax的上界。故Ax非空有上界。

(2) 对任意ε>0,取特定n∈N∗,则存在m1,m2∈N∗(为什么?)使得(26)am1≤xn<am1+1,am2≤yn<am2+1 所以m1n∈Ax,m2n∈Ay,并且m1+1n是Ax的上界、m2+1n是Ay的上界,从而(27)m1+1n≥loga⁡x,m2+1n≥loga⁡y 另一方面,(28)am1+m2≤(xy)n<am1+m2+2 所以m1+m2n∈Axy,并且m1+m2+2n是Axy的上界,因此(29)loga⁡x+loga⁡y−2n≤m1+1n+m2+1n−2n≤loga⁡(xy)≤m1+m2+2n=loga⁡x+loga⁡y+2n 于是(30)|loga⁡(xy)−loga⁡x−loga⁡y|≤2n<?ε 取n>2ε即可。从而(31)loga⁡(xy)=loga⁡x+loga⁡y 依据单调性,我们很容易得到loga⁡a=1。

(3) 由数学归纳法易知,证明类似于:已知f:R→R满足f(x+y)=f(x)+f(y),则∀r∈Q,f(rx)=rf(x)。

(4) 先证f严格增。设0<x<y,尝试(32)ynxn=(1+y−xx)n≥1+n(y−x)x>?a2 取n>a2xy−x即可。再取整数m1使得(33)am1≤xn<am1+1 则(34)am1≤xn<am1+1<a2am1≤a2xn<yn 故m1+1n是Ax的上界,m1+2n∈Ay,所以(35)loga⁡x<m1+1n<m1+2n≤loga⁡y

下证loga是满射,即∀y∈R,∃x>0使得loga⁡x=y。记(36)By={amn|m∈Z,n∈Z∗,mn≤y} ∀n∈N∗,∃m∈N∗使得(37)mn≤y<m+1n 于是amn∈By,且am+1n是By的上界,故By有上确界x。因此(38)mn=loga⁡amn≤loga⁡x≤loga⁡am+1n=m+1n 联立以上两式可得(39)|loga⁡x−y|≤1n<?ε 取n>1ε即可。故loga⁡x=y,即loga是满射。 ◻

指数函数ax(a>0,a≠1)定义为对数函数loga的反函数(1x:=1),故指数函数是R→R+的严格增满射。幂函数可定义为xμ:=2μlog2⁡x,其中μ∈R。至此,我们已给出基本初等函数中除(反)三角函数以外的所有函数,它们之间的关系如图1.3.1所示。

PIC

图 1.3.1: 幂指对函数关系图

例 1.3.14 设a,b>0且x,y∈R,证明:

(1)

axay=ax+y。

(2)

(ax)y=axy。

(3)

axbx=(ab)x。

提示:

引理 1.3.15 ∀a>0且a≠1,∀b>0,∀x∈R,loga⁡bx=xloga⁡b。

证明如下:由上题(3)可知引理对x∈Q成立。当b=1时,引理显然成立。当a>1、b>1时,由于loga,logb严格增,故loga⁡bx严格增。∀ε>0,尝试取ε′>0,根据有理数的稠密性,取r1,r2满足x−ε′<r1<x<r2<x+ε′,则(40)r1loga⁡b=loga⁡br1<loga⁡bx<loga⁡br2=r2loga⁡b 因此(41)|loga⁡bx−xloga⁡b|<ε′loga⁡b≤?ε 取ε′=εloga⁡b即可。其余情况同理可证。

证明 (1) 由loga以及反函数的性质可得(42)loga⁡(axay)=loga⁡ax+loga⁡ay=x+y=loga⁡ax+y 故axay=ax+y。

(2) 由loga以及引理可得(43)loga⁡(ax)y=yloga⁡ax=xy=loga⁡axy 故(ax)y=axy。

(3) 由loga以及引理可得(44)loga⁡(axbx)=loga⁡ax+loga⁡bx=x(1+loga⁡b)=xloga⁡ab=loga⁡(ab)x 故axbx=(ab)x。 ◻