6.3 习题课讲解

6.3.1 基本定理

例 6.3.1 试找“最好的”常数A,B使得(1)arctan⁡(1+x)−π4≥xAx+B,∀x>0

解 令x→+∞,则有(2)π4≥1A⟹A≤4π 记(3)f(x):=arctan⁡(1+x)−π4−xAx+B 则有(4)f′(0)=12−1B≥0⟹B≥2 因此所谓“最好”,就是选择尽可能小的A,B,使xAx+B尽可能大。因此,我们可以选择A=4π,B=2,此时(5)f′(x)=−x[(π2−8)x−2π(4−π)]2[1+(x+1)2](2x+π)2 记x∗=2π(4−π)π2−8,则f在(0,x∗)上严格增,在(x∗,+∞)上严格减,故(6)f(x)>min{f(0),f(+∞)}=0,∀x>0 即A=4π,B=2就是“最好”的。 ◻

例 6.3.2 求满足(1+1n)n+α≤e≤(1+1n)n+β(∀n∈N∗)的参数α,β的取值范围。

解 采用参数分离法。由ln的单调性可得(7)(n+α)ln⁡(1+1n)≤1≤(n+β)ln⁡(1+1n) 因此(8)α≤f(n):=1ln⁡(1+1n)−n≤β 考虑定义在[1,+∞)上的连续函数f,则(9)f′(x)=1x(x+1)[ln⁡(1+1x)]2−1 欲证f′(x)>0,只需证(10)[ln⁡(1+1x)]2<1x(x+1)=t=x−1(1+t)[ln⁡(1+t)]2<t2,∀t∈(0,1] 考虑定义在[0,1]上的函数g(11)g(t):=t2−(1+t)[ln⁡(1+t)]2,t∈(0,1] 则(12)g′(t)=2t−ln⁡(1+t)[2+ln⁡(1+t)],g″(t)=2(t−ln⁡(1+t))1+t>0,∀t∈(0,1] 因此(13)g′(t)>g′(0)=0,g(t)>g(0)=0,∀t∈(0,1] 因此f′(x)>0在定义域内成立,即f在定义域内严格增,故(14)α≤f(1)=1ln⁡2−1,β≥f(+∞)=12 其中由Heine定理可得(15)f(+∞)=limx→0+[1ln⁡(1+x)−1x]=limx→0+x22+o(x2)x2+o(x2)=12 ◻

例 6.3.3 证明:∀n∈N∗,(16)12(n+1)<∑k=1n1k−ln⁡n−γ<12n 其中γ:=limn→+∞(∑k=1n1k−ln⁡n)。

证明 记(17)an:=∑k=1n1k−ln⁡n−12n,bn:=∑k=1n1k−ln⁡n−12(n+1) 易见limn→+∞an=limn→+∞bn=γ。为证明an<γ<bn,我们试图证明an严格增、bn严格减,即(18)an+1−an=12n+12(n+1)−ln⁡(1+1n)=:f(1n)bn+1−bn=32(n+1)−12(n+2)−ln⁡(1+1n)=:g(1n) 亦即证明∀x∈(0,1],(19)f(x)=x2+x2(1+x)−ln⁡(1+x)>0=f(0)g(x)=3x2(1+x)−x2(1+2x)−ln⁡(1+x)<0=g(0) 求导可得(20)f′(x)=x22(1+x)2>0,g′(x)=−x2(5+8x)2(1+x)2(1+2x)2<0,∀x∈(0,1] 故f,g分别在(0,1]上严格增、严格减,即f(x)>0>g(x),故an<γ<bn。 ◻

6.3.2 不定型极限

例 6.3.4

(1)

设f(x)在x0处右连续,limx→x0+f′(x)=A∈R,证明f在x0处有右导数,且f+′(x0)=A。

(2)

设f(x)在x0处连续,limx→x0f′(x)=A∈R,证明f在x0处有导数,且f′(x0)=A。

(3)

设f可微,且limx→+∞f′(x)=A∈R,若y=f(x)在x→+∞时有渐近线,则渐近线的斜率为A。

证明 (1) (21)f+′(x0)=limx→x0+f(x)−f(x0)x−x0=L′Hlimx→x0+f′(x)=A

(2) (22)f′(x0)=limx→x0f(x)−f(x0)x−x0=L′Hlimx→x0f′(x)=A

(3) (23)limx→+∞f(x)x=L′Hlimx→+∞f′(x)=A ◻

例 6.3.5 求以下极限

(1)

limx→0+ln⁡cot⁡xln⁡x。

(2)

limx→0+xαln⁡x,其中α>0。

(3)

limx→+∞ln⁡xxα,其中α>0。

(4)

limx→+∞π2−arctan⁡xx−1。

(5)

limx→1(xx−1−1ln⁡x)。

(6)

limx→0(sin⁡xx)x−2。

(7)

limx→0tan⁡x−tan⁡tan⁡xsin⁡x−sin⁡sin⁡x。

解 (1) 分析ln⁡cot⁡x的主项。注意到(24)ln⁡cot⁡x=ln⁡cos⁡x−ln⁡sin⁡x=ln⁡(1+o(1))−ln⁡[x(1+o(1))]=−ln⁡x+o(1) 因此(25)ln⁡cot⁡xln⁡x=−ln⁡x+o(1)ln⁡x→−1,x→0+

(2) 令xα=e−t,则t=−αln⁡x→+∞,注意到(26)xαln⁡x=−tαet→0,t→+∞

(3) 令t=xα,则x→+∞时t→+∞,注意到(27)ln⁡xxα=ln⁡tαt→0,t→+∞

(4) 令t=π2−arctan⁡x,则cot⁡t=x,且x→+∞时t→0+,注意到(28)π2−arctan⁡xx−1=ttan⁡t→1,t→0+

(5) 令x=1+t,则t→0时x→1,注意到(29)xx−1−1ln⁡x=(1+t)ln⁡(1+t)−ttln⁡(1+t)=(1+t)(t−t22+o(t2))−tt2+o(t2)→12,t→0

(6) 考虑其自然对数,注意到(30)1x2ln⁡sin⁡xx=ln⁡(1−x26+o(x2))x2=−x26+o(x2)x2→−16,x→0 因此原极限为e−16。

(7) 解法一:(31)tan⁡x−tan⁡tan⁡xsin⁡x−sin⁡sin⁡x=tan⁡x−(tan⁡x+tan3⁡x3+o(tan3⁡x))sin⁡x−(sin⁡x−sin3⁡x6+o(sin3⁡x))=−tan3⁡x3+o(tan3⁡x)sin3⁡x6+o(sin3⁡x)→−2,x→0

解法二:考虑Lagrange中值定理,∃ξ∈(x,tan⁡x)和η∈(sin⁡x,x)使得(32)tan⁡x−tan⁡tan⁡xsin⁡x−sin⁡sin⁡x=sec2⁡ξcos⁡ηx−tan⁡xx−sin⁡x=sec2⁡ξcos⁡ηx−(x+x33+o(x3))x−(x−x36+o(x3))→−2,x→0 ◻

例 6.3.6 以下解答正确吗?为什么?

(1)

以下极限不存在:(33)limx→+∞sin⁡x2x=limx→+∞2xcos⁡x212x=limx→+∞4x32cos⁡x2

(2)

(34)limx→+∞2x+sin⁡2xesin⁡x(2x+sin⁡2x)=limx→+∞4cos2⁡xesin⁡x(2x+sin⁡2x+4cos⁡x)cos⁡x=0

解 (1) 不正确,不能由“导数比值不存在”推出“原极限不存在”。正确的极限为0。

(2) 不正确,因为g′(x)≠0不成立。原极限显然不存在。 ◻

6.3.3 Taylor展开式(一)

例 6.3.7

(1)

写出sin⁡x,cos⁡x在x=0处带5阶Peano余项的Taylor展开式。

(2)

写出tan⁡x在x=0处带5阶Peano余项的Taylor展开式。

(3)

设f,g∈C∞满足(35)f(x)=x+a3x3+a5x5+a7x7+o(x7),x→0g(x)=x+b3x3+b5x5+b7x7+o(x7),x→0 请写出f(g(x))在x=0处带7阶Peano余项的Taylor展开式。

(4)

设f∈C∞是可逆的奇函数,且(36)f(x)=x+a3x3+a5x5+a7x7+o(x7),x→0 请写出f−1在x=0处带7阶Peano余项的Taylor展开式。

(5)

求极限(37)limx→0sin⁡tan⁡x−tan⁡sin⁡xarcsin⁡arctan⁡x−arctan⁡arcsin⁡x

(6)

求f(x)=sin⁡x1+x2在x=0处带5阶Peano余项的Taylor展开式。

解 (1)(2)(6) (38)sin⁡x=x−x33!+x55!+o(x5)cos⁡x=1−x22!+x44!+o(x5)tan⁡x=x+x33+2x515+o(x5)sin⁡x1+x2=x−7x36+47x540+o(x5)

(3) 直接展开可得(39)f(g(x))=x+(a3+b3)x3+(a5+3a3b3+b5)x5 +(a7+5a5b3+3a3b32+3a3b5+b7)x7+o(x7)

(4) 采用待定系数法可得(40)f−1(x)=x−a3x3+(3a32−a5)x5+(−12a33+8a3a5−a7)x7+o(x7)

(5) 由(3)可知(41)f(g(x))−g(f(x))=(3a3b32−3b3a32−2a3b5+2a5b3)x7+o(x7) 故f∘g−g∘f是7阶无穷小。同理可得(42)f−1(g−1(x))−g−1(f−1(x))=(3a3b32−3b3a32−2a3b5+2a5b3)x7+o(x7) 即f−1∘g−1−g−1∘f−1与f∘g−g∘f具有相同的7阶无穷小形式,因此(43)limx→0sin⁡tan⁡x−tan⁡sin⁡xarcsin⁡arctan⁡x−arctan⁡arcsin⁡x=limx→0f(g(x))−g(f(x))f−1(g−1(x))−g−1(f−1(x))=1 ◻

例 6.3.8 计算以下极限:

(1)

limx→0ex1−2x−cos⁡(2x)sin3⁡x。

(2)

limx→0cos⁡x−e−x2/2x4。

(3)

limx→1x11−x。

(4)

limx→π/2−(tan⁡x)π/2−x。

(5)

limx→0[1x−(1x2−1x)ln⁡(1+x)]。

(6)

limh→0f(2h)+2f(−h)−3f(0)h2,其中f″(0)=1。

(7)

limx→03x21+xsin⁡x−cos⁡x。

(8)

limn→+∞(sin⁡n+nα−sin⁡n)。

(9)

limn→+∞sin⁡(2πn2+αn)。

解 (1) (44)LHS=(1+x+x22+x36+o(x3))(1−x−x22−x32+o(x3))−(1−x2+o(x3))x3(1+o(1))3=−43x3+o(x3)x3+o(x3)→−43,x→0

(2) (45)LHS=(1−x22−x424+o(x4))−(1−x22+x48+o(x4))x4→−112,x→0

(3) 令t=x−1→0,则(46)x11−x=exp⁡ln⁡(1+t)−t=exp⁡(−1+o(1))→1e,t→0

(4) 令t=π2−x,则(47)(tan⁡x)π/2−x=exp⁡(tln⁡cos⁡t−tln⁡tan⁡t)=exp⁡(o(1))→1,t→0

(5) (48)LHS=x−(1−x)ln⁡(1+x)x2=x−(1−x)(x−x22+o(x2))x2→32,x→0

(6) (49)LHS=a0+a1(2h)+(2h)22+o(h2)+2a0+2a1(−h)+(−h)2+o(h2)−3a0h2→3,h→0

(7) (50)LHS=3x2(1+12x2+o(x2))−(1−14x2+o(x2))→4,x→0

(8) 当α<12时,由Lagrange中值定理可得∃ξ∈(n,n+nα)(51)LHS=cos⁡ξ⋅[n+nα−n]=cos⁡ξ⋅n[(1+nα−1)12−1]=cos⁡ξ⋅[12nα−12+o(nα−12)]→0,n→+∞

当α=12,注意到(52)n+n−n=12+o(1)⟹LHS=sin⁡(n+12)−sin⁡n+o(1),n→+∞ 由{sin⁡n}n∈N在[−1,1]上的稠密性知{sin⁡n}n∈N在[−1,1]上也是稠密的,故存在子列{sin⁡nk}k∈N收敛于1,此时原数列收敛于cos⁡12−1;也存在子列{sin⁡mk}m∈N收敛于−1,此时原数列收敛于−cos⁡12+1。因此原极限不存在。

当α>12,由函数图像(图6.3.1)可知该极限不存在。

(9) 注意到(53)2πn2+αn=2πn(1+αn)12=2πn+απ+o(1),n→+∞ 因此(54)sin⁡(2πn2+αn)=sin⁡(απ+o(1))→sin⁡(απ),n→+∞ ◻

PIC

图 6.3.1: sin⁡x−1+x−α−sin⁡x−1的函数图像

例 6.3.9 设f∈C[a,b],在(a,b)上二阶可导,证明∃ξ∈(a,b)使得(55)f(b)−2f(a+b2)+f(a)=(b−a)24f″(ξ)

证明 在x=a+b2处作带Lagrange余项的Taylor展开,∃ξ1∈(a,a+b2)和ξ2∈(a+b2,b)使得(56)f(a)=f(a+b2)+f′(a+b2)(a−a+b2)+f″(ξ1)2(a−a+b2)2f(b)=f(a+b2)+f′(a+b2)(b−a+b2)+f″(ξ2)2(b−a+b2)2 两者相加可得(57)f(a)+f(b)=2f(a+b2)+f″(ξ1)+f″(ξ2)2(b−a)24 由Darboux定理可知∃ξ∈(ξ1,ξ2)⊆(a,b)使得f″(ξ)=f″(ξ1)+f″(ξ2)2,因此(58)f(b)−2f(a+b2)+f(a)=(b−a)24f″(ξ) ◻

另证 构造二次函数g(x)=Ax2+Bx+C满足(59)g(a)=f(a),g(a+b2)=f(a+b2),g(b)=f(b) 令F(x)=f(x)−g(x),则F(b)=F(a+b2)=F(a)=0,且待证命题等价于(60)[F(b)+g(b)]−2[F(a+b2)+g(a+b2)]+[F(a)+g(a)]=(b−a)24[F″(ξ)+g″(ξ)] 注意到(61)g(b)−2g(a+b2)+g(a)=12(b−a)2A=(b−a)24g″(ξ) 故待证命题等价于(62)(b−a)24F″(ξ)=F(b)−2F(a+b2)+F(a)=0⟺F″(ξ)=0 由于F(b)=F(a+b2)=F(a)=0,故由Rolle定理可得(63)∃ξ1∈(a,a+b2),F′(ξ1)=0;∃ξ2∈(a+b2,b),F′(ξ2)=0 从而由Rolle定理可得(64)∃ξ∈(ξ1,ξ2)⊆(a,b),F″(ξ)=0 ◻

例 6.3.10 证明:32<tan⁡1<π2。

例 6.3.11 设f在含0的开区间I上有连续的n+1阶导数,f(0)=0,定义(65)F(x):={f(x)x,x∈I∖{0}f′(0),x=0 证明:F在I内有连续的n阶导数。

证明 设I=(a,b),其中−∞≤a<0<b≤+∞。当x≠0时,(66)F(k)(x)=(−1)kk!xk+1∑j=0kf(j)(x)j!(−x)j⟹F∈Ck(a,0),F∈Ck(0,b) 而当x→0时,在x处作带Lagrange余项的Taylor展开可得,存在位于0,x之间的ξ使得(67)f(0)=f(x)+f′(x)(−x)+⋯+f(k)(x)k!(−x)k+f(k+1)(ξ)(k+1)!(−x)k+1 故有(68)F(k)(x)=(−1)kk!xk+1[f(0)−f(k+1)(ξ)(k+1)!(−x)k+1]=f(k+1)(ξ)k+1→f(k+1)(0)k+1,x→0 所以由导数定义和L’Hôpital法则可得(69)F(k)(0)=limx→0F(k−1)(x)−f(k)(0)kx=L′Hlimx→0F(k)(x)=f(k+1)(0)k+1 归纳可知F∈Ck(I),故F∈Cn(I)。 ◻

例 6.3.12 设f∈C∞,定义(70)F(x):={f(e−1x2),x≠0f(0),x=0 求F在x=0处带n阶Peano余项的Taylor展开式。

解 归纳可证(71)g(x):={e−1x2,x≠00,x=0 为C∞函数,因此F=f∘g∈C∞。注意到(72)|f(g(x))−f(0)|≤|f′(ξ)||g(x)−0|≤Me−1x2=o(xn),0<|x|≤1 因此(73)F(x)=f(g(x))=f(0)+o(xn),x→0 由带Peano余项的Taylor展开式的唯一性可知,这就是F在x=0处带n阶Peano余项的Taylor展开式。 ◻

6.3.4 积分因子、微分方程与辅助函数

例 6.3.13 证明:e−λx是微分方程(74)y′−λy=0 的积分因子。

证明 代入验证可得(75)(e−λxy)′=e−λx(y′−λy)=0 从而微分方程的解为y=Ceλx。 ◻

例 6.3.14 求微分方程(76)y′+g′(x)y=0 的积分因子。

证明 代入验证可得(77)(eg(x)y)′=eg(x)(y′+g′(x)y)=0 从而微分方程的解为y=Ce−g(x)。 ◻

例 6.3.15 设f,g可微,g有界且(78)limx→+∞f(x)=f(0)=0 证明:∃ξ>0使得(79)f′(ξ)+g′(ξ)f(ξ)=0

证明 令F(x):=eg(x)f(x),则F可微,且F(0)=F(+∞)=0,由广义Rolle定理可知∃ξ>0使得(80)F′(ξ)=eg(ξ)[f′(ξ)+g′(ξ)f(ξ)]=0⟹f′(ξ)+g′(ξ)f(ξ)=0 ◻

例 6.3.16 设f可微,满足(81)limx→+∞[f′(x)+f(x)]=a 证明:(82)limx→+∞f(x)=a,limx→+∞f′(x)=0

证明 令F(x):=exf(x)、G(x):=ex,则F,G可微且(83)limx→+∞f(x)=L′Hlimx→+∞F′(x)G′(x)=limx→+∞[f′(x)+f(x)]=a 因此(84)limx→+∞f′(x)=a−limx→+∞f(x)=0 ◻