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。