6.1 第四次作业参考答案

6.1.1 习题3.5

例 6.1.1 (习题3.5.1)sin(x2)R上的一致连续函数吗?为什么?

不是。假设sin(x2)一致连续,则ε>0δ>0,使得x,yR(1)|xy|<δ|sin(x2)sin(y2)|<εε=1n=π4δ2+1x=(n+12)πy=(n+32)π,则(2)|xy|=π(n+12)π+(n+32)π<π2n<δ,|sin(x2)sin(y2)|=2ε 矛盾!故sin(x2)不是一致连续的。

例 6.1.2 (习题3.5.3)证明:R上任何连续的周期函数都是一致连续的。

证明Tf的周期,则f[0,2T]上一致连续,即ε>0δ>0使得x,y[0,2T]|xy|<δ|f(x)f(y)|<ε;故x,yR,设|xy|<δ=min{δ,T},记(3){x=k1T+x0,k1Z,x0[0,T)y=k2T+y0,k2Z,y0[0,T) 显然k1,k2至多相差1。依据以下规则选择ξ,η(4){ξ=x0,η=y0,k1=k2ξ=x0+T,η=y0,k1=k21ξ=x0,η=y0+T,k1=k2+1 则有(5)|xy|<δ|ξη|<δ|f(x)f(y)|=|f(ξ)f(η)|<εfR上一致连续。

6.1.2 习题4.1

例 6.1.3 (例4.1.4)设f(x0)=λxn<x0<yn满足limn+xn=limn+yn=x0,证明:(6)limn+f(yn)f(xn)ynxn=λ 如果所有xn,yn都位于x0的同一侧,结论还成立吗?为什么?

证明 参见例5.3.1和例5.3.2

错解 以下错解很精彩,请读者自行找出错误之处:由Heine定理可得(7) limn+f(yn)f(xn)ynxn=limn+f(yn)f(x0)+f(x0)f(xn)ynxn=limn+f(yn)f(x0)ynx0limn+ynx0ynxn+limn+f(x0)f(xn)x0xnlimn+x0xnynxn=f(x0)limn+ynx0ynxn+f(x0)limn+x0xnynxn=f(x0)

6.1.3 习题4.2

例 6.1.4 (习题4.2.4)求以下函数的导数:

(1)

ln(x+1+x2)

(2)

sinex2

(3)

tan(arcsinx)

(4)

x+x3

(5)

f(x)={x2sin1x,x00,x=0

(1) (8)f(x)=11+x2

(2) (9)f(x)=2xex2cosex2

(3) (10)f(x)=1(1x2)3/2

(4) (11)f(x)=12x+x3(1+13x23)

(5) (12)f(x)={2xsin1xcos1x,x00,x=0

例 6.1.5 (习题4.2.7)设0<ε<1x(t)=tεsinty(t)=1εcost。求dydx

(13)dydx=dydtdxdt=εsint1εcost

6.1.4 习题4.3

例 6.1.6 (习题4.3.2)求以下函数的二阶导数:

(1)

ln(x+1+x2)

(2)

sin(ex2)

(3)

tan(arcsinx)

(4)

x+x3

(1) (14)f(x)=x(1+x2)3/2

(2) (15)f(x)=2ex2[(1+2x2)cosex22x2ex2sinex2]

(3) (16)f(x)=3x(1x2)5/2

(4) (17)f(x)=5+10x2/3+9x4/336(1+x2/3)x5/3x+x1/3

例 6.1.7 (习题4.3.10)设f(x)={e1x2,x00,x=0,证明:fC函数,且nNf(n)(0)=0

证明x0时,f为初等函数,故fx0处无穷阶可导。设f(n)(x)=e1x2Pn(1x),则有(18)e1x2Pn+1(1x)=f(n+1)(x)=e1x2[2x3Pn(1x)1x2Pn(1x)] 亦即(19)Pn+1(t)=2t3Pn(t)t2Pn(t) 结合P0(t)=1,归纳可证Pn为多项式以及(20)f(n)(0)=limx0f(n1)(x)f(n1)(0)x0=limx0e1x21xPn1(1x)=limttPn1(t)et2=0fC函数,且nNf(n)(0)=0

例 6.1.8 (习题4.3.11)设nN。证明n阶Legendre多项式(21)Pn(x):=12nn!dndxn(x21)n 是以下二阶微分方程的解:(22)(1x2)y2xy+n(n+1)y=0

证明 注意到(23) [(x21)(x21)n](n+2)=(x21)[(x21)n](n+2)+2(n+2)x[(x21)n](n+1)+(n+2)(n+1)[(x21)n](n)=(n+1)[2x(x21)n](n+1)=(n+1){2x[(x21)n](n+1)+2(n+1)[(x21)n](n)} 整理可得(24)(x21)[(x21)n](n+2)+2x[(x21)n](n+1)n(n+1)[(x21)n](n)=0 代入Pn(x)的表达式可得(25)(1x2)Pn(x)2xPn(x)+n(n+1)Pn(x)=0

另证yn=(x21)n,由于Pn(x)yn(n),故我们只需证明yn满足相同形式的微分方程。注意到(26)y=2nx(x21)n1(x21)y=2nxy 等式两边同时求n+1阶导可得(27)(x21)y(n+2)+2(n+1)xy(n+1)+n(n+1)y(n)=2nxy(n+1)+2n(n+1)y(n) 移项得证。

例 6.1.9 (习题4.3.16)设0<ε<1x(t)=tεsinty(t)=1εcost。求d2ydx2

(28)d2ydx2=ddtdydxdxdt=ddtεsint1εcost1εcost=ε(costε)(1εcost)3

6.1.5 习题4.4

例 6.1.10 (习题4.3.16)设0<ε<1x(t)=tεsinty(t)=1εcost。求该曲线在点(0,1ε)处的曲率。

计算可得(29)x(t)=1εcost,y(t)=εsintx(t)=εsint,y(t)=εcost(30)x(0)=1ε,y(0)=0,x(0)=0,y(0)=ε 代入曲率公式可得(31)κ=|x(0)y(0)x(0)y(0)|[(x(0))2+(y(0))2]3/2=ε(1ε)2