5.3 习题课讲解

5.3.1 导数与微分

例 5.3.1 f在闭区间[α,β]上连续,在开区间I=(α,β)内可微。

(1)

证明:x0I,若{an},{bn}I满足anx0bnan<bnlimn+an=x0=limn+bn,则(1)limn+f(bn)f(an)bnan=f(x0)

(2)

证明:a1,b1Ia1<b1,存在闭区间套[an,bn]使得(2)f(bn+1)f(an+1)bn+1an+1f(bn)f(an)bnan,nN 并且(3)limn+an=limn+bn

(3)

利用(1)和(2)的结论证明,a,bIa<bξ[a,b]使得(4)f(ξ)f(b)f(a)ba

(4)

利用(3)证明:若xIf(x)0,则fI上单调不减;若xIf(x)>0,则fI上严格增。

(5)

利用(4)证明:若xIf(x)=0,则f[α,β]上为常数。

证明 (1) 由fx0处可微可得ε>0δ>0使得xI(5)|xx0|<δε|xx0|<f(x)f(x0)f(x0)(xx0)<ε|xx0| 由于an,bnx0,故N>0使得(6)nNx0δ<anx0bn<x0+δ 从而有(7)ε(x0an)f(an)f(x0)f(x0)(anx0)ε(x0an)ε(bnx0)f(bn)f(x0)f(x0)(bnx0)ε(bnx0)ε(bnan)f(bn)f(an)f(x0)(bnan)ε(bnan)(8)|f(bn)f(an)bnanf(x0)|εlimn+f(bn)f(an)bnan=f(x0)

(2) 当[an,bn]已构造好时,我们继续构造[an+1,bn+1]。考虑该区间的中点cn=an+bn2

这样就构造出了闭区间套[an,bn]

(3) 取a1=ab1=b,并依(2)构造闭区间套。由有界闭区间套定理可知,ξn=1[an,bn],且limn+an=limn+bn=ξ。由(1)可知(9)f(ξ)=limn+f(bn)f(an)bnanf(b)f(a)ba

(4) a,bI,设a<b,则ξ[a,b]使得(10)0f(ξ)f(b)f(a)baf(b)f(a)0f在开区间(α,β)上单调不减。

在端点α,β处,注意到x,y(α,β)xyu(α,x)v(y,β),则有(11)f(u)f(x)f(y)f(v)uα+vβ,由连续性可知(12)f(α)=limuα+f(u)f(x)f(y)limvβf(v)=f(β)f在闭区间[α,β]上单调不减。

f(x)>0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ff均在[α,β]上单调不减,故f[α,β]上为常数。

例 5.3.2 A>1(13)f(x)={x+Ax2sin1x,x00,x=0

(1)

证明:f可微,但fx=0处不连续,并讨论fx=0处的间断类型。

(2)

证明:f(0)>0,但在x=0的任意邻域内,f都不是单调函数。

(3)

5.3.1中如果不假定anx0bn,则结论不成立。

(1) 当x0时,f为初等函数的复合,故fC,且(14)f(x)=1+2Axsin1xAcos1x 它在x0±时均无极限,故x=0f的第二类间断点。当x=0时,有(15)f(0)=limx0f(x)x=1f可微。

(2) f(0)=1>0,取xn=12nπyn=1(2n+1)π,则(16)f(xn)=1A<0,f(yn)=1+A>0 于是在包含xn的任何开区间内,f都不是单调不减的;在包含yn的任何开区间内,f都不是单调不增的。故δ>0,取足够大的n使xn,yn(0,δ),于是f在区间[0,δ)中都不是单调的。同理可证f在区间(δ,0]中也不是单调的。

(3) 由f(xn)<0知存在0<an<xn<bn<2xn使得f(bn)f(an)bnan<0。易见limn+an=limn+bn=0,而limn+f(bn)f(an)bnan=f(0)不成立。

例 5.3.3 α>0,记(17)fα(x):=xxα,x>0

(1)

fα(x)

(2)

证明x=0fα的可去间断点。

(3)

(18)g(x):={fα(x),x>0limt0+fα(t),x0 讨论g是否在x=0处可微。在它可微时,讨论g的连续性。

(1) fα为初等函数,因此(19)fα(x)=xxα+α1(αlnx+1)

(2) 注意到(20)limx0+fα(x)=explimx0+xαlnx=explimt+teαt=exp0=1,x=et

(3) 由(2)知(21)g(x)={xxα,x>01,x=0 易见g(0)=0,注意到(22)g+(0)=limx0+xxα1x=limx0+exαlnx1xαlnxlnxx1α={0,α>1,α1 因此gx=0处可微当且仅当α>1,此时(23)g(x)={xxα+α1(αlnx+1),x>00,x=0 由于limx0+g(x)=0,故gx=0处连续。

例 5.3.4 f(x)x=a可导,f(a)0,求(24)limx(f(a+1x)f(a))x

注意到(25)f(a+y)=f(a)+f(a)y+o(y),y0 因此(26)(f(a+1x)f(a))x=exp[xlnf(a+1x)f(a)]=exp[xln(1+f(a)f(a)1x+o(1x))]=exp[f(a)f(a)+o(1)]expf(a)f(a),x

另解 (27)limx(f(a+1x)f(a))x=limx(1+f(a+1x)f(a)f(a))f(a)f(a+1x)f(a)f(a+1x)f(a)f(a)1x=[limx(1+f(a+1x)f(a)f(a))f(a)f(a+1x)f(a)]1f(a)limxf(a+1x)f(a)1x=expf(a)f(a)

若使用换元法y=1x0,需注意f(a)可能小于0(28)(f(a+1x)f(a))x=expln|f(a+y)|ln|f(a)|yexp[ln|f(y)|]y=a=expf(a)f(a)

例 5.3.5 a>b>0,考虑具有相同形状的一族椭圆(29)Et:x2a2t+y2b2t=1,t>0 P(x1,y1)是椭圆Et上一点,它不在椭圆的长轴或短轴上。证明:存在唯一的s>0使得椭圆Et在点(x1,y1)处的法线与椭圆Es相切。

视椭圆方程为y关于x的隐函数,则(30)2x1a2t+2y1b2ty(x1)=0y(x1)=b2x1a2y1 故椭圆Et在点P处的切线和法线为(31)yy1=b2x1a2y1(xx1),yy1=a2y1b2x1(xx1) 设该法线是椭圆Es(x2,y2)处的切线,则有(32)y2y1=b2x2a2y2(x2x1)=a2y1b2x1(x2x1) 因此(33){a2y1(x2x1)b2x1(y2y1)=0a4y1y2+b4x1x2=0,s=x22a2+y22b2 这是关于x2,y2的线性方程组,系数矩阵可逆,故s存在且唯一。

例 5.3.6 已知摆线的参数方程(34){x=A(tsint)y=A(1cost),tR

(1)

证明:摆线方程在t(0,2π)时确定了可微函数y=y(x),并讨论y(x)的单调性。

(2)

证明:摆线满足微分方程(1+yx2)y=2A

证明 (1) 注意到(35)x(t)=A(1cost)>0,t(0,2π) 由例5.3.1可知x有可微的反函数t(x),于是y=y(t(x))可微,由链索法则可得(36)y(x)=y(t)t(x)=y(t)x(t)=sint1cost 故当t[0,π],即x[0,Aπ]时,函数y(x)严格增;当t[π,2π],即x[Aπ,2Aπ]时,函数y(x)严格减。

(2) 直接代入验证。

5.3.2 高阶导数

例 5.3.7 y=u(x)z=v(y)y,z均二阶可导,求复合函数z=v(u(x))的二阶导数。

由链索法则可得(37)z(x)=v(u(x))u(x)z(x)=v(u(x))u(x)2+v(u(x))u(x)

例 5.3.8 x(t),y(t)二阶可微,x(t)0(t)。试用x,y关于t的导数与二阶导数表示函数y=y(x)的二阶导数。

由链索法则可得(38)d2ydx2=ddxdydx=1x(t)ddty(x)x(t)=y(x)x(t)y(x)x(t)x(t)3

例 5.3.9 f在区间(a,b)内满足f>0,证明:

(1)

x0(a,b)x(a,b){x0},都有(39)f(x)>f(x0)+f(x0)(xx0)

(2)

x1,x2(a,b)x1x2,以及t(0,1),都有(40)f((1t)x1+tx2)<(1t)f(x1)+tf(x2) 满足上式的函数f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,则称为凸函数凹函数

证明 (1) 令(41)g(x):=f(x)f(x0)f(x0)(xx0),x(a,b) 求导可知(42)g(x)=f(x)f(x0)g(x)=f(x)>0g(a,b)上严格增。易见g(x0)=0,故当x(a,x0)g(x)<0,即g(a,x0)严格减;当x(x0,b)g(x)>0,即g(x0,b)严格增。因此(43)g(x)>g(x0)=0,x(a,b){x0}

(2) 令(44)h(t):=(1t)f(x1)+tf(x2)f((1t)x1+tx2),t[0,1] 求导可知(45)h(t)=f((1t)x1+tx2)(x2x1)2<0h[0,1]上严格减。易见h(0)=h(1)=0,由Rolle定理可知t0(0,1)使得h(t0)=0,故h(0,t0)上严格增、在(t0,1)上严格减。h(x)>min{h(0),h(1)}=0,从而(46)f((1t)x1+tx2)<(1t)f(x1)+tf(x2),t(0,1)

例 5.3.10 在例5.3.6的基础上,

(1)

证明:摆线方程在t(0,2π)时确定了C函数x=x(y)

(2)

y(x)

(3)

证明:摆线位于它的每条切线的下方(切点除外),即y=y(x)为严格凹函数。

(1) 由例5.3.6x=x(t)C反函数,从而y=y(t(x))C函数。

(2) 由例5.3.6(47)y(x)=sint1cost 从而(48)y(x)=1x(t)dy(x)dt=1A(1cost)2

(3) 由例5.3.9知结论成立。

例 5.3.11 讨论De Cartes叶形线x3+y3=3xy的凹凸性。

t=yx,则(49)x=3t1+t3,y=3t21+t3,t1 计算可知(50)y(x)=y(t)x(t)y(t)x(t)x(t)3=2(t3+1)43(2t31)3 所以当t(,1)时,曲线下凸;当t(1,21/3)时,曲线下凸;当t(21/3,+)时,曲线上凸。

例 5.3.12 fC函数,求g(x):=f(x)xn阶导数表达式。

易见gC,由高阶导数的Leibniz公式可得(51)g(n)(x)=k=0n(nk)f(k)(x)(1x)(nk)=k=0n(nk)f(k)(x)(1)(2)(n+k)1xnk+1=n!k=0nf(k)(x)k!(1)nkxnk+1

例 5.3.13 证明函数(52)f(x):={e1x2sin1x,x00,x=0 C函数。

证明x0时,f为初等函数,从而是C函数。当x=0时,我们采用归纳法证明(53)f(n)(x)={e1x2[Pn(1x)sin1x+Qn(1x)cos1x],x00,x=0 其中f(n)表示fn次迭代,Pn,Qn均为多项式。

(1) 当n=0时,显然成立。

(2) 设命题在n时成立,则在n+1时,有(54)f(n+1)(x)=e1x22x3[Pn(1x)sin1x+Qn(1x)cos1x]+e1x21x2[Pn(1x)sin1x+Pn(1x)cos1x+Qn(1x)cos1xQn(1x)sin1x] 因此(55)Pn+1(t)=2t3Pn(t)t2Pn(t)+t2Qn(t)Qn+1(t)=2t3Qn(t)t2Qn(t)t2Pn(t)Pn+1,Qn+1亦为多项式。注意到(56)f(n+1)(0)=limx0f(n)(x)x=limx0e1x2[Pn(1x)sin1x+Qn(1x)cos1x]x=0f(n+1)(0)=0