《数学分析选论》习题解答

数学分析选论习题解答

《数学分析选论》习题解答第一章实数理论１．把§1.3例4改为关于下确界的相应命题，并加以证明．证设数集S 有下确界，且S S ∉=ξinf ，试证：（１）存在数列ξ=⊂∞→n n n a S a lim ,}{使；（２）存在严格递减数列ξ=⊂∞→n n n a S a lim ,}{使．证明如下：（１）据假设，ξ>∈∀a S a 有,；且ε+ξ<'<ξ∈'∃>ε∀a S a 使得,,0．现依次取,,2,1,1==εn nn 相应地S a n ∈∃,使得 ,2,1,=ε+ξ<<ξn a n n ．因)(0∞→→εn n ，由迫敛性易知ξ=∞→n n a lim .（２）为使上面得到的}{n a 是严格递减的，只要从2=n 起，改取,3,2,,1min 1=⎭⎬⎫⎩⎨⎧+ξ=ε-n a n n n ，就能保证,3,2,)(11=>ε+ξ≥ξ-+ξ=--n a a a n n n n ． □２．证明§1.3例６的（ⅱ）．证设B A ,为非空有界数集，B A S ⋃=，试证：{}B A S inf ,inf mininf =．现证明如下．由假设，B A S ⋃=显然也是非空有界数集，因而它的下确界存在．故对任何B x A x S x ∈∈∈或有,，由此推知B x A x inf inf ≥≥或，从而又有{}{}B A S B A x inf ,inf min inf inf ,inf min≥⇒≥．另一方面，对任何,A x ∈ 有S x ∈，于是有S A S x inf inf inf ≥⇒≥；同理又有S B inf inf ≥．由此推得{}B A S inf ,inf mininf ≤．综上，证得结论 {}B A S inf ,inf mininf =成立． □３．设B A ,为有界数集，且∅≠⋂B A ．证明：（１）{}B A B A sup ,sup min )sup(≤⋂；（２）{}B A B A inf ,inf max)(inf ≥⋂．并举出等号不成立的例子．证这里只证（２），类似地可证（１）．设B A inf ,inf =β=α．则应满足：β≥α≥∈∈∀y x B y A x ,,,有．于是，B A z ⋂∈∀，必有{}βα≥⇒⎭⎬⎫β≥α≥,max z z z ，这说明{}βα,max 是B A ⋂的一个下界．由于B A ⋂亦为有界数集，故其下确界存在，且因下确界为其最大下界，从而证得结论{}{}B A B A inf ,inf max inf≥⋂成立．上式中等号不成立的例子确实是存在的．例如：设)4,3(,)5,3()1,0(,)4,2(=⋂⋃==B A B A 则，这时3)(inf ,0inf ,2inf =⋂==B A B A 而，故得{}{}B A B A i n f ,i n f m a x i n f >⋂． □ ４．设B A ,为非空有界数集．定义数集{}B b A a b a c B A ∈∈+==+,，证明：（１）B A B A sup sup )sup(+=+；（２）B A B A inf inf )(inf +=+．证这里只证（２），类似地可证（１）．由假设，B A inf ,inf =β=α都存在，现欲证β+α=+)(inf B A ．依据下确界定义，分两步证明如下：１）因为,,,,β≥α≥∈∈∀y x B y A x 有所以B A z +∈∀，必有β+α≥+=y x z ．这说明B A +β+α是的一个下界．２）B y A x ∈∈∃>ε∀00,,0，使得2,200ε+β>ε+α>y x ．从而ε+β+α>+∈+=∃)(,0000z B A y x z 使得，故B A +β+α是的最大下界．于是结论 B A B A inf inf )(inf +=+ 得证． □５．设B A ,为非空有界数集，且它们所含元素皆非负．定义数集{}B b A a ab c AB ∈∈==,，证明：（１）B A AB sup sup )sup(⋅=；（２）B A AB inf inf )(inf ⋅=．证这里只证（１），类似地可证（２）．⎪⎩⎪⎨⎧⋅≤≤≤=≥≥∈∈∃∈∀,sup sup ,sup ,sup ,,)0,0(,,)(B A c B b A a ab c b a B b A a AB c 且使由于因此B A sup sup ⋅是AB 的一个上界．另一方面，B b A a ∈∈∃>ε∀00,,0，满足ε->ε->B b A a sup ,sup 00，故)(000AB b a c ∈=∃，使得εε-+-⋅>])sup sup ([sup sup 0B A B A c ．由条件，不妨设0sup sup >+B A ，故当ε足够小时，εε-+=ε'])sup sup ([B A 仍为一任意小正数．这就证得B A sup sup ⋅是AB 的最小上界，即 B A AB inf inf )(inf ⋅= 得证． □*６．证明：一个有序域如果具有完备性，则必定具有阿基米德性．证用反证法．倘若有某个完备有序域F 不具有阿基米德性，则必存在两个正元素F ∈βα,，使序列}{αn 中没有一项大于β．于是，}{αn 有上界（β就是一个），从而由完备性假设，存在上确界λ=α}sup{n ．由上确界定义，对一切正整数n ，有α≥λn ；同时存在某个正整数0n ，使α-λ>α0n ．由此得出α+<λ≤α+)1()2(00n n ，这导致与0>α相矛盾．所以，具有完备性的有序域必定具有阿基米德性． □７．试用确界原理证明区间套定理．证设{}],[n n b a 为一区间套，即满足：0)(lim ,1221=-≤≤≤≤≤≤≤≤∞→n n n n n a b b b b a a a ．由于{}n a 有上界k b ，{}n b 有下界k a （+∈N k ），因此根据确界原理，存在{}{}β≤α=β=α且,inf,sup n n b a ．倘若β<α，则有,2,1,0=>λ=α-β≥-n a b n n ，而这与0)(lim =-∞→n n n a b 相矛盾，故ξ=β=α．又因 ,2,1,=≤β=α≤n b a n n ，所以ξ是一切],[n n b a 的公共点．对于其他任一公共点 ,2,1,],[=∈ηn b a n n ，由于∞→→-≤η-ξn a b n n ,0 ，因此只能是η=ξ，这就证得区间套{}],[n n b a 存在惟一公共点． □８．试用区间套定理证明确界原理．证设S 为一非空有上界的数集，欲证S 存在上确界．为此构造区间套如下：令],[],[011M x b a =，其中M S S x ,)(0∅≠∈ 为S 的上界．记2111b a c +=，若1c 是S 的上界，则令],[],[1122c a b a =；否则，若1c 不是S 的上界，则令],[],[1122b c b a =．一般地，若记2nn n b a c +=，则令,2,1,,,],[,,],[],[11=⎩⎨⎧=++n S c b c S c c a b a n n n n n n n n 的上界不是的上界当是．如此得到的{}],[n n b a 显然为一区间套，接下来证明这个区间套的惟一公共点ξ即为S 的上确界．由于上述区间套的特征是：对任何+∈Νn ，n b 恒为Ｓ的上界，而n a 则不为S 的上界，故S x ∈∀，有n b x ≤，再由ξ=∞→n n b lim ，便得ξ≤x ，这说明ξ是S 的一个上界；又因ξ=∞→n n a lim ，故ε-ξ>∃>ε∀n a ,0，由于n a 不是S 的上界，因此ε-ξ更加不是S 的上界．根据上确界的定义，证得S sup =ξ．同理可证，若S 为非空有下界的数集，则S 必有下确界． □ ９．试用区间套定理证明单调有界定理．证设{}n x 为递增且有上界M 的数列，欲证{}n x 收敛．为此构造区间套如下：令],[],[111M x b a =；类似于上题那样，采用逐次二等分法构造区间套{}],[n n b a ，使n a 不是{}n x 的上界，n b 恒为{}n x 的上界．由区间套定理，],[n n b a ∈ξ∃，且使ξ==∞→∞→n n n n b a lim lim ．下面进一步证明 ξ=∞→n n x lim ．一方面，由∞→≤k b x k n 取,的极限，得到,2,1,lim =ξ=≤∞→n b x k k n ．另一方面，ε-ξ>∈∃>ε∀+K a K 使,,0Ν；由于K a 不是{}n x 的上界，故K N a x >∃；又因{}n x 递增，故当N n >时，满足N n x x ≥．于是有N n x x a n N K >ξ≤<<<ε-ξ,，这就证得ξ=∞→n n x lim ．同理可证{}n x 为递减而有下界的情形． □ 10*．试用区间套定理证明聚点定理．证设S 为实轴上的一个有界无限点集，欲证S 必定存在聚点．因S 有界，故0>∃M ，使得M x ≤，S x ∈∀．现设],[],[11M M b a -=，则],[11b a S ⊂．然后用逐次二等分法构造一区间套{}],[n n b a ，使得每次所选择的],[n n b a 都包含了S 中的无限多个点．由区间套定理，],[n n b a ∈ξ∃，n ∀．最后应用区间套定理的推论，,0>ε∀当n 充分大时，使得],[n n b a );εξ⊂(U ；由于],[n n b a 中包含了S 的无限多个点，因此);(εξU 中也包含了S 的无限多个点，根据聚点定义，上述ξ即为点集S 的一个聚点． □ 11*．试用有限覆盖定理证明区间套定理．证设{}],[n n b a 为一区间套，欲证存在惟一的点 ,2,1,],[=∈ξn b a n n ．下面用反证法来构造],[11b a 的一个无限覆盖．倘若{}],[n n b a 不存在公共点ξ，则],[11b a 中任一点都不是区间套的公共点．于是，∈∀x ],[11b a ，使,],[n n b a ∃],[n n b a x ∉．即);(x x U δ∃与某个],[n n b a 不相交（注：这里用到了],[n n b a 为一闭区间）．当x 取遍],[11b a 时，这无限多个邻域构成],[11b a 的一个无限开覆盖：{}],[);(11b a x x U H x ∈δ=．依据有限覆盖定理，存在],[11b a 的一个有限覆盖：{}HNi x U U H ix i i ⊂=δ==,,2,1);(~，其中每个邻域N i b a U i i n n i ,,2,1,],[ =∅=⋂．若令{}Nn n n K ,,,max 21 =，则N i b a b a i i n n K K ,,2,1,],[],[ =⊂，从而N i U b a i K K ,,2,1,],[ =∅=⋂．（Ж）但是Ni iU 1=覆盖了],[11b a ，也就覆盖了],[K K b a ，这与关系式（Ж）相矛盾．所以必定存在 ,2,1,],[=∈ξn b a n n ．（有关ξ惟一性的证明，与一般方法相同．） □１２．设S 为非空有界数集．证明：S S y x Sy x inf sup ||sup ,-=-∈．证设η<ξ=η=ξ且,sup ,inf S S （若η=ξ，则S 为单元素集，结论显然成立）．记{}Sy x y x E ∈-=,||，欲证ξ-η=Esup ．首先，S y x ∈∀,，有ξ-η≤-⇒η≤ξ≥||,y x y x ，这说明ξ-η是E 的一个上界．又因2,0ε-η>ε∀ ⎪⎭⎫⎝⎛ε+ξ2不再S 的上()下界，故S y x ∈∃00,，使ε-ξ-η≥-⇒⎪⎭⎪⎬⎫ε+ξ<ε-η>)(||220000y x y x , 所以ξ-η是E 的最小上界，于是所证结论成立． □１３．证明：若数集S 存在聚点ξ，则必能找出一个各项互异的数列{}S x n ⊂，使ξ=∞→n n x l i m．证依据聚点定义，对S U x ⋂εξ∈∃=ε);(,1111 ．一般地，对于⎭⎬⎫⎩⎨⎧-ξ=ε-1,1min n n x n ，,3,2,);(=⋂εξ∈∃n S Ux n n ．如此得到的数列{}S x n ⊂必定满足：,3,2,||||11=≠⇒ξ-<ξ---n x x x x n n n n ；ξ=⇒∞→→<ξ-∞→n n n x n nx lim )(01||． □41*．设S 为实轴上的一个无限点集．试证：若S 的任一无限子集必有属于S 的聚点，则（１）S 为有界集；（２）S 的所有聚点都属于S ．证（１）倘若S 无上界，则对1111,,1M x S x M >∈∃=使；一般地，对于{},3,2,,,,max 1=>∈∃=-n Mx S x x n Mnn n n n使．这就得到一个各项互异的点列{}∞=⊂∞→n n n x S x lim,使．S 的这个无限子集没有聚点，与题设条件相矛盾，所以S 必有上界．同理可证S 必有下界，故S 为有界集．（２）因S 为有界无限点集，故必有聚点．倘若S 的某一聚点S ∉ξ0，则由聚点的性质，必定存在各项互异的数列{}0lim,ξ=⊂∞→n n n x S x 使．据题设条件，{}nx 的惟一聚点0ξ应属于S ，故又导致矛盾．所以S 的所有聚点都属于S ． □51*．证明：{}{}nn a a ∉ξ=sup，则必有ξ=∞→n n a lim ．举例说明，当上述ξ属于{}n a 时，结论不一定成立．证利用§1.3 例4，{}{}n na a k⊂∃，使ξ=∞→knn a lim ，这说明ξ是{}na 的一个聚点．又因ξ又是{}n a 的上界，故{}n a 不可能再有比ξ更大的聚点．所以ξ是{}n a 的上极限．当{}n a ∈ξ时，结论不一定成立．例如，1,111sup ⎭⎬⎫⎩⎨⎧∈=⎭⎬⎫⎩⎨⎧n n 显然不是⎭⎬⎫⎩⎨⎧n 1的上极限． □61*．指出下列数列的上、下极限：（１）{}n)1(1-+；（２）⎭⎬⎫⎩⎨⎧+-12)1(n nn；（３）⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧πnn 3cos；（４）⎭⎬⎫⎩⎨⎧π+4sin 12n n n ；（５）⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧π+n n n sin12．解（１）0lim ,2lim ,0,2122==≡≡∞→∞→-n n n n k k a a a a 故．（２）)(211412,21142122∞→-→---=→+=-k k k a k k a k k ，故21lim ,21lim -==∞→∞→n n n n a a ．（３）)(13cos211∞→≤π≤←n n nn，故1lim lim lim ===∞→∞→∞→n n n n n n a a a ．（４）⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧--=+⋅--=+-=+=+++=+⋅=π+=.38,18,12222,8,12,4,0,28,12,38,18,12224sin 12k k n n nk n n nk n k n n n k k n n n n n n a n故2lim ,2lim -==∞→∞→n n n n a a ．（５）)(sin )1(sin 1222∞→π→ππ⋅+π=π+=n n nnn n n na n ，故π===∞→∞→∞→n n n n n n a a a lim lim lim ． □71*．设{}n a 为有界数列，证明：（１）1lim )(lim =-=-∞→∞→n n n n a a ；（２）n n n n a a ∞→∞→-=-lim )(lim ．证由)(sup )(inf ,)(inf )(sup k nk k nk k nk k nk a a a a ≥≥≥≥-=--=-，令∞→n 取极限，即得结论（１）与（２）． □81*．设0lim >∞→n n a ，证明：（１）nn n n a a ∞→∞→=lim 11lim；（２）nn nn a a ∞→∞→=lim 11lim；（３）若11limlim =⋅∞→∞→n n n n a a ，或11lim lim =⋅∞→∞→n n n n a a ，则{}n a 必定收敛．证由)(sup 11inf ,)(inf 11sup k nk k n k k nk k n k a a a a ≥≥≥≥=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛，令∞→n 取极限，即得结论（１）与（２）．若11limlim =⋅∞→∞→nn n n a a ，则由（１）立即得到 n n n n a a ∞→∞→=lim lim ，因此极限n n a ∞→lim 存在，即得结论（３）．类似地，若11limlim =⋅∞→∞→nn n n a a ，则由（２）同样可证。

数学分析选讲习题答案。我们学校自己编的《数学分析选讲》讲义习题解答,不要乱评论。OK？

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27. 28. 29. 30. 31. 32. 33. 34. 35.
Burkill, J.C., and Burkill,H., A Second Course in Mathematical Analysis, London, Cambridge, 1970. Gelbaum, B., Problems in Analysis, New York, Springer-Verlag, 1982. Klambauer, G., Problems and Propositions in Analysis, New York, Marcel Dekker, 1979. Lang, S., Undergraduate Analysis, New York, Springer-Verlag, 1983. Pö lya, G. and Szegö , G., Problems and Theorems in Analysis, Vol.1, Berlin, Springer-Verlag, 1972. Smith, K. T., Primer of Modern Analysis, New York, Springer-Verlag, 1983. Stromberg, K.R., An Introduction to Classical Analysis, Belmont, Wadsworth, 1981. Van Rooij, A. C. M., and Schikhof, W. H. A Second Course on Real Functions, London, Cambridge, 1982. Lewin, J. W., Amer. Math. Monthly, 93(1986), 395 397.
< 1 (x12 + x1+ 1) | x n 1 | ,极限为 1. 7 n n n 14. 由平均不等式, 1 kak n !( ak )1 / n . n k 1 k 1 15. 由 F (1, y) = ½ f (y 1) = ½ y2 y + 5 得 f (t ) = t + 9, 故 xn+1 =

《数学分析》第三版全册课后答案 (1)

1 u( , )d d r 2 ( x )2 2 2 ( y ) r 1 2
u( x, y)
1 2 r
( x ) ( y ) r
2

u( , )ds
2 2

2
u( x r cos , y r sin )d
0
对任意 r 0 成立.
2 2 2 S
x2 y 2 z 2 (0 z h) 的外侧.
4、（10 分）（两题选作一题）用适当方法完成下列计算：（1）计算拉普拉斯积分： I

0
cos 2 x dx ； 1 x2
（2）计算菲涅尔积分： I

sin x 2 dx .
0
得分
评阅人
四、证明题（共 3 小题，35 分）
华中师范大学 2008–2009 学年第二学期
------------------------------------------------- 密 ---------------------------------- 封 ----------------------------- 线 ---------------------------------------------------------
期末考试试卷（A 卷）
课程名称数学分析 3（试点班）课程编号 83410004 任课教师张正杰陈世荣题型填空题分值得分
得分评阅人
学号：
计算题I 15
计算题 II 40
证明题 35
总分10100 Nhomakorabea学生姓名：
一、填空题（共 5 题，10 分）
2

福师1203考试批次《数学分析选讲》复习题及参考答案

福师1203考试批次《数学分析选讲》复习题及参考答案本课程复习题所提供的答案仅供学员在复习过程中参考之用，有问题请到课程论坛提问。

本复习题页码标注所用教材为：教材名称单价作者版本出版社数学分析41华东师范大学数学系第三版高等教育出版社如学员使用其他版本教材，请参考相关知识点福师1203考试批次《数学分析选讲》复习题及参考答案一一、（12分）选择题（将符合要求的结论题号，填在题末的括号内，每题至多选两个题号）： 1. 与lim n n x a →∞=的定义等价的是：（）A 、0,ε∀> 总有n x a ε-<；B 、0,ε∀> 至多只有{}n x 的有限项落在(,)a a εε-+之外；C 、存在自然数N ，对0,ε∀>当n N >，有n x a ε-<；D 、0(01),εε∀><<存在自然数N ，对,n N ∀>有n x a ε-<；答案：B,D2．下列命题中正确的是：（）A 、若函数()f x 在[,]a b 内无界，则()f x 在[,]a b 上不可积；B 、若函数()f x 在[,]a b 上不连续，则()f x 在[,]a b 上不可积；C 、若函数()f x 在[,]a b 上可积，则[()]()xaf t dt f x '=⎰;D 、若函数()f x 在[,]a b 上可积，则()f x 在[,]a b 上也可积，反之不然. 答案：AD3.函数()f x 在[a,b]上可积的必要条件是( )A 、有界B 、连续C 、单调D 、存在原函数答案：A二、填空题：（共10分，每题2分）1.设21(1)nn x∞=-∑收敛，则lim n n x →∞= 。

考核知识点：级数的收敛性。

参见教材（下册）P1-5 提示：利用P3页的推论进行计算。

2.(,)limx y →= 。

考核知识点：二元函数的极限。

参见教材（下册）P93-96.提示：)(,)(,)(0,0)(,)(0,0)1limlimlim1x y x y x y xy→→→==3.设3()sin F x x '=，则()F x = 。

数学分析习题选解第一章(华东师大版)

数学分析习题选解第一章实数与函数 §1. 实数习题Page. 41. 设a 为有理数，x 为无理数，证明：(1). a x +是无理数； (2)当0a ≠时，ax 是无理数。

证明：（用反证法） 3. 设,a b ∈R ，证明：若对任何正数ε有a b ε-<，则a b =。

证明：反证法，如果a b ≠，则取02a b ε-=>，有：a b ε-≥，矛盾。

6. 设,,a b c +∈R （+R 表示全体正实数的集合），证明：b c ≤-你能说明此不等式的几何意义吗？证明：用分析法，b c ≤-22222222a b a c b c b c ⇐+++-≤+-22a cb c⇐≤-22a b c⇐+422242222a a b c bc a a ca bb c⇐++≤+++ 222bc c b ⇐≤+()20b c ⇐-≥（显然成立）几何意义，如图，在R t A B C ∆中，记B C a =，A C b =，在直角边A C 上，取一点D连接B D ，记D C c =，则A D b c =-，由勾股定理，A B =，B D =此结论说明，三角形的两边之和大于第三边。

7. 设0x >，0b >，a b ≠。

证明：a x b x++介于1与a b之间。

证明：1a x a b b xb x+--=++与a b -同号（注意，0x >，0b >）；又()()x b a a x a b xbb b x -+-=++与b a -同号，故a x b x++介于1与a b之间。

8. 设p 为正整数，证明：若p证明：（反证法）设m n=，其中,n m ∈N ，(,)1n m =，于是，22p n m =。

由于大于1的整数能唯一地分解为素因数之积，若p 不是完全平方数，ac b D CBA则p 的素因数分解式中，必有r 是p 的具有奇指数的素因数。

则22p n m =的左端有奇数个素因数r ，而右端没有，与分解的唯一性矛盾，证毕补充题：证明任何二个不同的有理数之间必有无理数。

西南大学《数学分析选讲》网上作业及参考答案

===================================================================================================1：[论述题]《数学分析选讲》第一次主观题作业答案一、判断题 1．（正确） 2．（正确） 3．（错误） 4．（正确） 5．（正确）二、选择题1、A2、A3、B4、B5、C6、C7、D8、D三、计算题解 1、902070902070902070583155863lim )15()58()63(lim⋅=⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎭⎫ ⎝⎛+=--++∞→+∞→x x x x x x x x 2、211lim()2x x x x +→∞+=-21111lim 2211xx x x x x →∞⎛⎫⎛⎫++ ⎪ ⎪⋅= ⎪ ⎪ ⎪ ⎪--⎝⎭⎝⎭211lim 21xx x x →∞⎛⎫+ ⎪= ⎪ ⎪-⎝⎭2(4)21[(1)]lim 2[(1)]x x x x x→∞--+- 264e e e-==. 3、解：因2n ≤++≤+1n n==，故 21n n →∞++=+。

4、当0x <时，有221()lim lim 11x x x x x x n n n n n f x n n n --→∞→∞--===-++；同理当0x >时，有()1f x =.而(0)0f =，所以1,0()sgn 0,01,0x f x x x x -<⎧⎪===⎨⎪>⎩。

所以0是f 的跳跃间断点.四、证明题===================================================================================================证由b a <，有b b a a <+<2. 因为2lim ba a a n n +<=∞→，由保号性定理，存在01>N ，使得当1N n >时有2b a a n +<。

数学分析选轮试题1

《数学分析选论》例题选讲第十章. 多元函数微分学一．主要内容：1. 多元函数的极限与连续，2. 多元函数的偏导数与全微分的计算，3. 复合函数微分法4. 多元函数的高阶偏导数与二元函数的极值计算. 二. 例题.例1 设 ,).0,0(),(,0)0,0(),(,),(2222⎪⎩⎪⎨⎧=≠+-=y x y x y x y x xyy x f 证明:0),(lim )0,0(),(=→y x f y x . 证明对,0>ε 由于|,|21||21|||0),(|22222222y x y x y x y x xy y x f +≤-≤+-≤- 可知当 εδ2022=<+<y x 时，便有 ε<-|0),(|y x f . 故0),(lim )0,0(),(=→y x f y x .例2 设 242),(y x yx y x f += 证明：),(lim )0,0(),(y x f y x →不存在. 证明242420(,)(0,0),()lim(,)lim (1)1x x y y mx mx mf x y m x m →→===++, 它随m 而异，因此),(lim )0,0(),(y x f y x →不存在.例3 讨论下列函数在(0,0)的连续性（1）⎪⎩⎪⎨⎧=≠+=)0,0(),(,0),0,0(),(,)sin(),(22y x y x y x xy y x f（2）⎪⎩⎪⎨⎧=≠+=)0,0(),(,0),0,0(),(,2),(22y x y x y x xyy x f解（1）注意到 22||2y x xy +≤，我们有|2||sin |||2|sin ||),(|xyxy xy xy xy y x f ⨯≤≤因此，)0,0(0),(lim)0,0(),(f y x f y x ==→，即),(y x f 在(0,0)处连续.（2）注意到,1)1,1(lim =∞→n n f n 54)1,2(l i m =∞→n n f n ，故),(y x f 在(0,0)处不连续.例4. 求函数 ⎪⎩⎪⎨⎧=+≠++-=+0,00,1),(222222)(22y x y x y x e y x f y x x 的偏导数.解计算偏导数1). 当022≠+y x 时，按通常方法求偏导数)(2222222)(3),(y x x x e y x y x y x f +++-= 22()222(,)()x x y yxy f x y e x y +=-+. 2). 当022=+y x 时，按定义求偏导数11lim 0)0,0()0,(lim)0,0(3003-=-=--=→→xex f x f f x x x x ， 300(0,)(0,0)0(0,0)limlim 00y y y f y f f y y →→-===-. 例5设函数 ⎪⎩⎪⎨⎧=+≠++-=+0,00,1),(222222)(22y x y x yx e y x f y x x , 求(0,0)x f 和(0,0)y f .解按定义求偏导数11lim 0)0,0()0,(lim)0,0(3003-=-=--=→→x e x f x f f xx x x ， 00lim 0)0,0(),0(lim )0,0(00==--=→→y y f y f f x x y .例6. 试讨论下列函数在点(0,0)处的可微性2212222,0,(,)0,0x y e x y f x y x y -+⎧⎪+>=⎨⎪+=⎩解. 因为，,0lim )0,0()0,(lim )0,0(2/1100==-='--→→x x x x e x xf x f f,0lim )0,0(),0(lim )0,0(2/1100==-='--→→y y y y e y yf y f f所以),()0,0(),(22)/(122y x y x e f y x f y xα+==-+-，其中0),(222/122)/(1→=+=-+-ραρe yx e y x y x，0→ρ， ,22y x +=ρ 由此知),(y x f 在)0,0(处可微.例7 设 )ln(2v u z +=, 而 2y x e u +=, y x v +=2. 求x z ∂∂, yz∂∂ 和dz . 解. 由于 2y x e x u +=∂∂, 22y x ye y u +=∂∂,x xv 2=∂∂, 1=∂∂y v , 于是 )(222x ue vu x v v z x u u z x z y x ++=∂∂∂∂+∂∂∂∂=∂∂+, )14(122++=∂∂∂∂+∂∂∂∂=∂∂+y x uye v u y v v z y u u z y z .=∂∂+∂∂=dy y z dx x z dz ++++dx x ue v u y x )(222dy uye vu y x )14(122+++.例8. 设在2R 上可微函数),(y x f 满足x f x '+0='y f y ，试证：在极坐标系里f 只是θ的函数.证对于复合函数 ),,(y x f u = θc o s r x =，θsin r y =，由于θθsin cos y x f f r u '+'=∂∂, θθsin cos r f r f ru r y x '+'=∂∂=x f x '+0='y f y , 因此当0≠r 时，0=∂∂ru，)sin ,cos (r r x r f u =与r 无关，即在极坐标系里f 只是θ的函数.例9 设)()(y x y y x x u +++=ψϕ，证明：0222222=∂∂+∂∂∂-∂∂y uy x u x u .证明由于ψϕϕ'+'+=∂∂y x xu，u x y y ϕψψ∂''=++∂， ϕψϕ''+''+'=∂∂x y xu222，ϕψψϕ''+''+'+'=∂∂∂x y y x u 2, ψψϕ''+'+''=∂∂y x y u222. 于是，0222222=∂∂+∂∂∂-∂∂y uy x u x u .例10．在半径为a 的半球内，求出体积为最大的内接长方体的边长. 解设半球面的方程是 222y x a z --=。

《数学分析选论》习题全解_模拟试题及答案

《数学分析续论》模拟试题及答案一、单项选择题（56⨯'）（１）设{}n a 为单调数列，若存在一收敛子列{}j n a ，这时有．．．．．．．．．．．．[ ] Ａ．j n j n n a a ∞→∞→=lim lim ；Ｂ．{}n a 不一定收敛；Ｃ．{}n a 不一定有界；Ｄ．当且仅当预先假设了{}n a 为有界数列时，才有Ａ成立．（２）设)(x f 在R 上为一连续函数，则有．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．[ ]Ａ．当I 为开区间时)(I f 必为开区间；Ｂ．当)(I f 为闭区间时I 必为闭区间；Ｃ．当)(I f 为开区间时I 必为开区间；Ｄ．以上Ａ、Ｂ、Ｃ都不一定成立．（３）设)(x f 在某去心邻域)(0x U 内可导．这时有．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．[ ]Ａ．若A x f x x ='→)(lim 0存在，则A x f =')(0；Ｂ．若f 在0x 连续，则A 成立；Ｃ．若A x f =')(0存在，则A x f x x ='→)(lim 0；Ｄ．以上Ａ、Ｂ、Ｃ都不一定成立．（４）设)(x f 在],[b a 上可积，则有．．．．．．．．．．．.．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．[ ]Ａ．)(x f 在],[b a 上必定连续；Ｂ．)(x f 在],[b a 上至多只有有限个间断点；Ｃ．)(x f 的间断点不能处处稠密；Ｄ．)(x f 在],[b a 上的连续点必定处处稠密．（５）设∑∞=1n nu 为一正项级数．这时有．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．[ ]Ａ．若0lim =∞→n n u ,则 ∑∞=1n n u 收敛；Ｂ．若∑∞=1n n u 收敛，则1lim1<+∞→nn n u u ；C ．若∑∞=1n nu 收敛，则1lim<∞→nn n u ；Ｄ．以上Ａ、Ｂ、Ｃ都不一定成立．二、计算题（401⨯'）（１）试求下列极限：①⎪⎭⎫⎝⎛-+-+++∞→n n n n 3)12(31lim ； ② ⎰⎰⎪⎭⎫⎝⎛∞+→xt x t x tt 022022lim d ed e ．（２）设⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=⎥⎦⎤⎢⎣⎡=+x y u f u y x u y x arctan e )(,21,220．试求)()(0u f u f ''与．（３）试求由曲线 12-=x y ，直线2=x ，以及二坐标轴所围曲边梯形的面积 S ．（４）用条件极值方法（Lagrange 乘数法）导出从固定点),(00y x 到直线0=++C y B x A 的距离计算公式．三、证明题（301⨯'）（１）设)()(x g x f 与在],[b a 上都连续．试证：若)()(,)()(b g b f a g a f ><，则必存在),(0b a x ∈，满足)()(00x g x f =．（２）证明x x x f ln )(=在其定义域上为一严格凸函数，并导出不等式：c b a cb ac b a c b a <⎪⎭⎫ ⎝⎛++++3, 其中 c b a ,,均为正数．( 提示：利用詹森不等式．)（３）证明：∑∞=π=+-0412)1(n n n ．解答一、［答］（１）Ａ；（２）Ｃ；（３）Ｂ；（４）Ｄ；（５）Ｄ．二、［解］（１） ① 333lim 3)12(31lim -=+-=⎪⎭⎫⎝⎛-+-+++∞→∞→n n n n n n n ；②.022limd 2limd 2limd ed e lim2222222220200220====⎪⎭⎫⎝⎛∞+→∞+→∞+→∞+→⎰⎰⎰⎰xx x xx tx x xt xx xt xt x x t ttt e ee e ee e（２） ⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡-='⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡++-='++515242)(,e 2e 2)(55022222222e e u f y x xy x y y x u f y x y x ．（３）所围曲边梯形如右图所示．其面积为.212)3(01)3()1()1(3312122=-+-=-+-=⎰⎰x x x x xx x x S d d（４）由题意，所求距离的平方（2d ）为2020)()(y y x x -+-的最小值，其中),(y x 需满足0=++C By Ax ，故此为一条件极小值问题．依据 Lagrange 乘数法，设)()()(2020C By Ax y y x x L ++λ+-+-=，并令⎪⎩⎪⎨⎧.0,0)(2,0)(200=++==λ+-==λ+-=λC y B x A L B y y L A x x L y x （Ｆ）由方程组（Ｆ）可依次解出：.2200202022200222202022********)()(,)()(4)()(,2,)(2,2,2BA C yB x A y y x x d BA C yB x A B A y y x x BA C yB x A B A y B Ax y B x AC By y Ax x +++=-+-=⇒+++=+λ=-+-⇒+++=λ⇒+λ-+=+=-λ-=λ-=最后结果就是所求距离d 的计算公式．注上面的求解过程是由（Ｆ）求出λ后直接得到2d ，而不再去算出y x 与的值，这是一种目标明确而又简捷的解法．三、［证］（１）只需引入辅助函数：)()()(x g x f x h -=．易知)(x h 在],[b a 上连续，满足0)(,0)(><b h a h ，故由介值性定理（或根的存在定理），必存在),(0b a x ∈，满足0)(0=x h ，即)()(00x g x f =．（２）x x x f ln )(=的定义域为),0(∞+，在其上满足：),0(,01)(,1ln )(∞+∈>=''+='x xx f x x f ，所以)(x f 为一严格凸函数．根据詹森不等式，对任何正数c b a ,,，恒有.)(ln )3(ln )ln ln ln (31)3(ln 3cb ac b a c b a c b a c c b b a a c b a c b a <++⇒++<++++++最后借助函数x ln 的严格递增性，便证得不等式c b a cb ac b a c b a <⎪⎭⎫ ⎝⎛++++3．（３）由于较难直接求出该级数的部分和，因此无法利用部分和的极限来计算级数的和．此时可以考虑把该级数的和看作幂级数=)(x S ∑∞=++-01212)1(n n n n x 在1=x 处的值，于是问题转为计算)(x S ．不难知道上述幂级数的收敛域为]1,1[-，经逐项求导得到]1,1[,)1()(02-∈-='∑∞=x x x S n n n ；这已是一个几何级数，其和为]1,1[,11)()(22-∈+=-='∑∞=x xx x S n n ．再通过两边求积分，还原得⎰⎰=+='=-xxx t tt t S S x S 02,arctan 11)()0()(d d由于这里的0)0(=S ，于是求得∑∞=π===+-041arctan )1(12)1(n n S n ．。

数学分析选讲参考答案

《数学分析选讲》A/B 模拟练习题参考答案一、选择题:(共18题,每题3分） 1、下列命题中正确的是（Ａ B ）A 、若'()()F x f x =，则()F x c +是()f x 的不定积分，其中c 为任意常数B 、若()f x 在[,]a b 上无界，则()f x 在[,]a b 上不可积C 、若()f x 在[,]a b 上有界,则()f x 在[,]a b 上可积D 、若()f x 在[,]a b 上可积,则()f x 在[,]a b 上可积 2、设243)(-+=x x x f ,则当0→x 时，有( Ｂ） A ．)(x f 与x 是等价无穷小 B ．)(x f 与x 同阶但非是等价无穷小 C.)(x f 是比x 高阶的无穷小Ｄ．)(x f 是比x 低阶的无穷小3、若f 为连续奇函数，则()x f sin 为（ A ) A 、奇函数Ｂ、偶函数Ｃ、非负偶函数Ｄ、既不是非正的函数,也不是非负的函数． 4、函数()f x 在[,]a b 上连续是()f x 在[,]a b 上可积的（Ａ）条件 A ．充分非必要 B 。

必要非充分C 。

充分必要条件D ．非充分也非必要条件。

5、若f 为连续奇函数，则()x f cos 为（ B ） A 、奇函数Ｂ、偶函数Ｃ、非负偶函数 D 、既不是非正的函数，也不是非负的函数。

6、设arctan (),xf x x=则0x =是()f x 的（ B ) A 。

连续点 B. 可去间断点Ｃ.跳跃间断点 D. 第二类间断点7、设+N ∈∃N ,当N n >时,恒有n n b a >,已知A a n n =∞→lim ，B b n n =∞→lim .则正确的选项是（ A ）A 、B A ≥ B 、B A ≠C 、B A > Ｄ、A 和B 的大小关系不定． 8、函数f （x,ｙ) 在点00(,)x y 连续是它在该点偏导数都存在的( Ａ） A 。

数学分析选讲试题及答案

计算题1、求求242lim(1)(1)(1)(1)(1)nn x x x x x ®¥++++< 解：12422(1)(1)(1)(1)(1)1nn x x x x x x+-++++=- ，且1x <所以，原极限所以，原极限==()1211lim 111n x x x x+®¥-=--。

2、求250ln(1)lim 1cos x x x x ®++- 解: 2525200ln(1)1limlim 1cos 22x x x x x xx x®®+++==-（等价无穷小的代换）（等价无穷小的代换） 3 3、设、设21sin 000x x x y x ì¹ï=íï=î , , 求求y ¢解：当0x ¹时，2111sin 2sin cos y x x x x x ¢æö¢==-ç÷èø 当0x =时，使用导数定义计算：201sin 01(0)limlim sin00x x x x y x x x®®-¢===-。

故112sin cos ,00, 0x x y x x x ì-¹ï¢=íï=î 4、求cos x dx xò解：令t x =则2,2x t dx tdt ==则原积分则原积分==cos 22cos 2sin ttdt tdt t C t ==+òò=2sin x C + 5、求幂级数0(1)(1)(2)n nn xn n ¥=-++å的收敛域。

的收敛域。

解：解由0(1)(1)(2)n n n x n n ¥=-++å知(1)(1)(2)nn a n n -=++，则1(1)(2)lim lim 1(2)(3)n n n n n n a a n n r +®¥®¥++==-=++，收敛半径11R r==，又1R =时级数0(1)(1)(2)nn n n ¥=-++å是交错级数，收敛。

数学分析选论习题解.华东师大

《数学分析选论》习题解答第一章实数理论１．把§1.3例4改为关于下确界的相应命题，并加以证明．证设数集S 有下确界，且S S ∉=ξinf ，试证：（１）存在数列ξ=⊂∞→n n n a S a lim ,}{使；（２）存在严格递减数列ξ=⊂∞→n n n a S a lim ,}{使．证明如下：（１）据假设，ξ>∈∀a S a 有,；且ε+ξ<'<ξ∈'∃>ε∀a S a 使得,,0．现依次取,,2,1,1Λ==εn n n 相应地S a n ∈∃,使得Λ,2,1,=ε+ξ<<ξn a n n ．因)(0∞→→εn n ，由迫敛性易知ξ=∞→n n a lim .（２）为使上面得到的}{n a 是严格递减的，只要从2=n 起，改取Λ,3,2,,1min 1=⎭⎬⎫⎩⎨⎧+ξ=ε-n a n n n ，就能保证Λ,3,2,)(11=>ε+ξ≥ξ-+ξ=--n a a a n n n n ． □２．证明§1.3例６的（ⅱ）．证设B A ,为非空有界数集，B A S ⋃=，试证：{}B A S inf ,inf m in inf =．现证明如下．由假设，B A S ⋃=显然也是非空有界数集，因而它的下确界存在．故对任何B x A x S x ∈∈∈或有,，由此推知B x A x inf inf ≥≥或，从而又有{}{}B A S B A x inf ,inf m in inf inf ,inf m in ≥⇒≥．另一方面，对任何,A x ∈ 有S x ∈，于是有S A S x inf inf inf ≥⇒≥；同理又有S B inf inf ≥．由此推得{}B A S inf ,inf m in inf ≤．综上，证得结论 {}B A S inf ,inf m in inf =成立． □３．设B A ,为有界数集，且∅≠⋂B A ．证明：（１）{}B A B A sup ,sup m in )sup(≤⋂；（２）{}B A B A inf ,inf m ax )(inf ≥⋂．并举出等号不成立的例子．证这里只证（２），类似地可证（１）．设B A inf ,inf =β=α．则应满足：β≥α≥∈∈∀y x B y A x ,,,有．于是，B A z ⋂∈∀，必有{}βα≥⇒⎭⎬⎫β≥α≥,max z z z ，这说明{}βα,max 是B A ⋂的一个下界．由于B A ⋂亦为有界数集，故其下确界存在，且因下确界为其最大下界，从而证得结论{}{}B A B A inf ,inf m ax inf ≥⋂成立．上式中等号不成立的例子确实是存在的．例如：设)4,3(,)5,3()1,0(,)4,2(=⋂⋃==B A B A 则，这时3)(inf ,0inf ,2inf =⋂==B A B A 而，故得{}{}B A B A inf ,inf m ax inf >⋂． □ ４．设B A ,为非空有界数集．定义数集{}B b A a b a c B A ∈∈+==+,，证明：（１）B A B A sup sup )sup(+=+；（２）B A B A inf inf )(inf +=+．证这里只证（２），类似地可证（１）．由假设，B A inf ,inf =β=α都存在，现欲证β+α=+)(inf B A ．依据下确界定义，分两步证明如下：１）因为,,,,β≥α≥∈∈∀y x B y A x 有所以B A z +∈∀，必有β+α≥+=y x z ．这说明B A +β+α是的一个下界．２）B y A x ∈∈∃>ε∀00,,0，使得2,200ε+β>ε+α>y x ．从而ε+β+α>+∈+=∃)(,0000z B A y x z 使得，故B A +β+α是的最大下界．于是结论 B A B A inf inf )(inf +=+ 得证． □５．设B A ,为非空有界数集，且它们所含元素皆非负．定义数集{}B b A a ab c AB ∈∈==,，证明：（１）B A AB sup sup )sup(⋅=；（２）B A AB inf inf )(inf ⋅=．证这里只证（１），类似地可证（２）．⎪⎩⎪⎨⎧⋅≤≤≤=≥≥∈∈∃∈∀,sup sup ,sup ,sup ,,)0,0(,,)(B A c B b A a ab c b a B b A a AB c 且使由于因此B A sup sup ⋅是AB 的一个上界．另一方面，B b A a ∈∈∃>ε∀00,,0，满足ε->ε->B b A a sup ,sup 00，故)(000AB b a c ∈=∃，使得εε-+-⋅>])sup sup ([sup sup 0B A B A c ．由条件，不妨设0sup sup >+B A ，故当ε足够小时，εε-+=ε'])sup sup ([B A 仍为一任意小正数．这就证得B A sup sup ⋅是AB 的最小上界，即 B A AB inf inf )(inf ⋅= 得证． □*６．证明：一个有序域如果具有完备性，则必定具有阿基米德性．证用反证法．倘若有某个完备有序域F 不具有阿基米德性，则必存在两个正元素F ∈βα,，使序列}{αn 中没有一项大于β．于是，}{αn 有上界（β就是一个），从而由完备性假设，存在上确界λ=α}sup{n ．由上确界定义，对一切正整数n ，有α≥λn ；同时存在某个正整数0n ，使α-λ>α0n ．由此得出α+<λ≤α+)1()2(00n n ，这导致与0>α相矛盾．所以，具有完备性的有序域必定具有阿基米德性． □７．试用确界原理证明区间套定理．证设{}],[n n b a 为一区间套，即满足：0)(lim ,1221=-≤≤≤≤≤≤≤≤∞→n n n n n a b b b b a a a ΛΛΛ．由于{}n a 有上界k b ，{}n b 有下界k a （+∈N k ），因此根据确界原理，存在{}{}β≤α=β=α且,inf ,sup n n b a ．倘若β<α，则有Λ,2,1,0=>λ=α-β≥-n a b n n ，而这与0)(lim =-∞→n n n a b 相矛盾，故ξ=β=α．又因Λ,2,1,=≤β=α≤n b a n n ，所以ξ是一切],[n n b a 的公共点．对于其他任一公共点Λ,2,1,],[=∈ηn b a n n ，由于∞→→-≤η-ξn a b n n ,0 ，因此只能是η=ξ，这就证得区间套{}],[n n b a 存在惟一公共点． □８．试用区间套定理证明确界原理．证设S 为一非空有上界的数集，欲证S 存在上确界．为此构造区间套如下：令 ],[],[011M x b a =，其中M S S x ,)(0∅≠∈Θ为S 的上界．记2111b a c +=，若1c 是S 的上界，则令],[],[1122c a b a =；否则，若1c 不是S 的上界，则令],[],[1122b c b a =．一般地，若记2nn n b a c +=，则令 Λ,2,1,,,],[,,],[],[11=⎩⎨⎧=++n S c b c S c c a b a n n n n nn n n 的上界不是的上界当是．如此得到的{}],[n n b a 显然为一区间套，接下来证明这个区间套的惟一公共点ξ即为S 的上确界．由于上述区间套的特征是：对任何+∈Νn ，n b 恒为Ｓ的上界，而n a 则不为S 的上界，故S x ∈∀，有n b x ≤，再由ξ=∞→n n b lim ，便得ξ≤x ，这说明ξ是S 的一个上界；又因ξ=∞→n n a lim ，故ε-ξ>∃>ε∀n a ,0，由于n a 不是S 的上界，因此ε-ξ更加不是S 的上界．根据上确界的定义，证得S sup =ξ．同理可证，若S 为非空有下界的数集，则S 必有下确界． □ ９．试用区间套定理证明单调有界定理．证设{}n x 为递增且有上界M 的数列，欲证{}n x 收敛．为此构造区间套如下：令],[],[111M x b a =；类似于上题那样，采用逐次二等分法构造区间套{}],[n n b a ，使n a 不是{}n x 的上界，n b 恒为{}n x 的上界．由区间套定理，],[n n b a ∈ξ∃，且使ξ==∞→∞→n n n n b a lim lim ．下面进一步证明 ξ=∞→n n x lim ．一方面，由∞→≤k b x k n 取,的极限，得到Λ,2,1,lim =ξ=≤∞→n b x k k n ．另一方面，ε-ξ>∈∃>ε∀+K a K 使,,0Ν；由于K a 不是{}n x 的上界，故K N a x >∃；又因{}n x 递增，故当N n >时，满足N n x x ≥．于是有N n x x a n N K >ξ≤<<<ε-ξ,，这就证得ξ=∞→n n x lim ．同理可证{}n x 为递减而有下界的情形． □ 10*．试用区间套定理证明聚点定理．证设S 为实轴上的一个有界无限点集，欲证S 必定存在聚点．因S 有界，故0>∃M ，使得M x ≤，S x ∈∀．现设],[],[11M M b a -=，则],[11b a S ⊂．然后用逐次二等分法构造一区间套{}],[n n b a ，使得每次所选择的],[n n b a 都包含了S 中的无限多个点．由区间套定理，],[n n b a ∈ξ∃，n ∀．最后应用区间套定理的推论，,0>ε∀当n 充分大时，使得],[n n b a );εξ⊂(U ；由于],[n n b a 中包含了S 的无限多个点，因此);(εξU 中也包含了S 的无限多个点，根据聚点定义，上述ξ即为点集S 的一个聚点． □ 11*．试用有限覆盖定理证明区间套定理．证设{}],[n n b a 为一区间套，欲证存在惟一的点Λ,2,1,],[=∈ξn b a n n ．下面用反证法来构造],[11b a 的一个无限覆盖．倘若{}],[n n b a 不存在公共点ξ，则],[11b a 中任一点都不是区间套的公共点．于是，∈∀x ],[11b a ，使,],[n n b a ∃],[n n b a x ∉．即);(x x U δ∃与某个],[n n b a 不相交（注：这里用到了],[n n b a 为一闭区间）．当x 取遍],[11b a 时，这无限多个邻域构成],[11b a 的一个无限开覆盖：{}],[);(11b a x x U H x ∈δ=．依据有限覆盖定理，存在],[11b a 的一个有限覆盖：{}H N i x U U H i x i i ⊂=δ==,,2,1);(~Λ，其中每个邻域N i b a U ii n n i ,,2,1,],[Λ=∅=⋂．若令{}N n n n K ,,,max 21Λ=，则N i b a b a i i n n K K ,,2,1,],[],[Λ=⊂，从而N i U b a i K K ,,2,1,],[Λ=∅=⋂．（Ж）但是Y Ni iU 1=覆盖了],[11b a ，也就覆盖了],[K K b a ，这与关系式（Ж）相矛盾．所以必定存在Λ,2,1,],[=∈ξn b a n n ．（有关ξ惟一性的证明，与一般方法相同．） □１２．设S 为非空有界数集．证明：S S y x Sy x inf sup ||sup ,-=-∈．证设η<ξ=η=ξ且,sup ,inf S S （若η=ξ，则S 为单元素集，结论显然成立）．记{}Sy x y x E ∈-=,||，欲证ξ-η=E sup ．首先，S y x ∈∀,，有ξ-η≤-⇒η≤ξ≥||,y x y x ，这说明ξ-η是E 的一个上界．又因2,0ε-η>ε∀ ⎪⎭⎫ ⎝⎛ε+ξ2不再是S 的上()下界，故S y x ∈∃00,，使ε-ξ-η≥-⇒⎪⎭⎪⎬⎫ε+ξ<ε-η>)(||220000y x y x , 所以ξ-η是E 的最小上界，于是所证结论成立． □１３．证明：若数集S 存在聚点ξ，则必能找出一个各项互异的数列{}S x n ⊂，使ξ=∞→n n x lim ．证依据聚点定义，对S U x ⋂εξ∈∃=ε);(,1111ο．一般地，对于⎭⎬⎫⎩⎨⎧-ξ=ε-1,1m in n n x n ，Λο,3,2,);(=⋂εξ∈∃n S U x n n ．如此得到的数列{}S x n ⊂必定满足：Λ,3,2,||||11=≠⇒ξ-<ξ---n x x x x n n n n ；ξ=⇒∞→→<ξ-∞→n n n x n n x lim )(01||． □ 41*．设S 为实轴上的一个无限点集．试证：若S 的任一无限子集必有属于S 的聚点，则（１）S 为有界集；（２）S 的所有聚点都属于S ．证（１）倘若S 无上界，则对1111,,1M x S x M >∈∃=使；一般地，对于{}Λ,3,2,,,,max 1=>∈∃=-n M x S x x n M n n n n n 使．这就得到一个各项互异的点列{}∞=⊂∞→n n n x S x lim ,使．S 的这个无限子集没有聚点，与题设条件相矛盾，所以S 必有上界．同理可证S 必有下界，故S 为有界集．（２）因S 为有界无限点集，故必有聚点．倘若S 的某一聚点S ∉ξ0，则由聚点的性质，必定存在各项互异的数列{}0lim ,ξ=⊂∞→n n n x S x 使．据题设条件，{}n x 的惟一聚点0ξ应属于S ，故又导致矛盾．所以S 的所有聚点都属于S ． □51*．证明：{}{}n n a a ∉ξ=sup ，则必有ξ=∞→n n a lim ．举例说明，当上述ξ属于{}n a 时，结论不一定成立．证利用§1.3 例4，{}{}n n a a k ⊂∃，使ξ=∞→k n n a lim ，这说明ξ是{}n a 的一个聚点．又因ξ又是{}n a 的上界，故{}n a 不可能再有比ξ更大的聚点．所以ξ是{}n a 的上极限．当{}n a ∈ξ时，结论不一定成立．例如，1,111sup ⎭⎬⎫⎩⎨⎧∈=⎭⎬⎫⎩⎨⎧n n 显然不是⎭⎬⎫⎩⎨⎧n 1的上极限． □61*．指出下列数列的上、下极限：（１）{}n)1(1-+；（２）⎭⎬⎫⎩⎨⎧+-12)1(n n n；（３）⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧πnn 3cos；（４）⎭⎬⎫⎩⎨⎧π+4sin 12n n n ；（５）⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧π+n n n sin 12．解（１）0lim ,2lim ,0,2122==≡≡∞→∞→-n n n n k k a a a a 故．（２）)(211412,21142122∞→-→---=→+=-k k k a k ka k k ，故21lim ,21lim -==∞→∞→n n n n a a ．（３）)(13cos211∞→≤π≤←n n nn，故 1lim lim lim ===∞→∞→∞→n n n n n n a a a ．（４）⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧--=+⋅--=+-=+=+++=+⋅=π+=.38,18,12222,8,12,4,0,28,12,38,18,12224sin 12k k n n nk n n n k n k n n n k k n n n n n n a n故2lim ,2lim -==∞→∞→n n n n a a ．（５）)(sin )1(sin 1222∞→π→ππ⋅+π=π+=n nn nn nn n a n ，故π===∞→∞→∞→n n n n n n a a a lim lim lim ． □71*．设{}n a 为有界数列，证明：（１）1lim )(lim =-=-∞→∞→n n n n a a ；（２）n n n n a a ∞→∞→-=-lim )(lim ．证由)(sup )(inf ,)(inf )(sup k nk k nk k nk k nk a a a a ≥≥≥≥-=--=-，令∞→n 取极限，即得结论（１）与（２）． □81*．设0lim >∞→n n a ，证明：（１）nn n n a a ∞→∞→=lim 11lim；（２）nn n n a a ∞→∞→=lim 11lim；（３）若11limlim =⋅∞→∞→n n n n a a ，或11lim lim =⋅∞→∞→nn n n a a ，则{}n a 必定收敛．证由)(sup 11inf ,)(inf 11sup k nk k n k kn k k n k a a a a ≥≥≥≥=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛，令∞→n 取极限，即得结论（１）与（２）．若11limlim =⋅∞→∞→n n n n a a ，则由（１）立即得到 n n n n a a ∞→∞→=lim lim ，因此极限n n a ∞→lim 存在，即得结论（３）．类似地，若11limlim =⋅∞→∞→nn n n a a ，则由（２）同样可证得（３）． □ 第二章连续性１．设ny x ℜ∈,，证明：)||||||||(2||||||||2222y x y x y x +=-++．证由向量模的定义， ∑∑==-++=-++ni i i ni i i y x y x y x y x 121222)()(||||||||∑=+=+=ni ii y x y x 12222)||||||||(2)(2． □ 2*．设nn x S ℜ∈ℜ⊂点,到集合S 的距离定义为),(inf ),(y x S x Sy ρ=ρ∈．证明：（１）若S 是闭集，S x ∉，则0),(>S x ρ；（２）若dS S S ⋃=( 称为S 的闭包 )，则{}0),(|=ρℜ∈=S x x S n ．证（１）倘若0),(=S x ρ，则由),(S x ρ的定义，S y n ∈∃，使得Λ,2,1,1),(=<ρn ny x n ．因 S x ∉，故x y n ≠，于是x 必为S 的聚点；又因S 是闭集，故S x ∈，这就导致矛盾．所以证得0),(>S x ρ．（２）S x ∈∀．若S x ∈，则0),(=ρS x 显然成立．若S x ∉，则dS x ∈（即x为S 的聚点），由聚点定义，∅≠⋂ε>ε∀S x U );(,0ο，因此同样有0),(),(inf =ρ=ρ∈S x y x Sy ．反之，凡是满足0),(=ρS x 的点x ，不可能是S 的外点（若为外点，则存在正数0ε，使∅=⋂εS x U );(0，这导致0),(inf 0>ε≥ρ∈y x Sy ，与0),(=ρS x 相矛盾）．从而x 只能是S 的聚点或孤立点．若x 为聚点，则S S x ⊂∈d ；若x 为孤立点，则S S x ⊂∈．所以这样的点x 必定属于S ．综上，证得 {}0),(|=ρℜ∈=S x x S n成立． □３．证明：对任何n S ℜ⊂，dS 必为闭集．证如图所示，设0x 为dS的任一聚点，欲证∈0x dS ，即0x 亦为S 的聚点．这是因为由聚点定义，y ∃>ε∀,0，使得 d S x U y ⋂ε∈);(0ο．再由y 为S 的聚点，);();(0ε⊂δ∀x U y U ο，有∅≠⋂δS y U );(ο．于是又有∅≠⋂εS x U );(0ο，所以0x 为S 的聚点，即∈0x d S ，亦即dS 为闭集． □４．证明：对任何nS ℜ⊂，S ∂必为闭集．证如图所示，设0x 为S ∂的任一聚点，欲证S x ∂∈0，即0x 亦为S 的界点．由聚点定义，y ∃>ε∀,0，使S x U y ∂⋂ε∈);(0ο．再由y 为界点的定义，);();(0ε⊂δ∀x U y U ，0x ο);(δy U);(0εx U οοS S∂ο);(δy U);(0εx U οοSd S0x在);(δy U 内既有S 的内点，又有S 的外点．由此证得在);(0εx U 内既有S 的内点，又有S 的外点，所以0x 为S 的界点，即S ∂必为闭集． □*５．设nS ℜ⊂，0x 为S 的任一内点，1x 为S 的任一外点．证明：联结0x 与1x 的直线段必与S ∂至少有一交点．证如图所示，把直线段10x x 置于一实轴上，并为叙述方便起见，约定此实轴上的点与其坐标用同一字母表示．下面用区间套方法来证明∅≠∂⋂S x x 10．记2,],[],[1111011b a c x x b a +==．若S c ∂∈1，则结论成立；若1c 为S 的内点，则取],[],[1122b c b a =；若1c 为S 的外点，则取],[],[1122c a b a =．一般地，用逐次二等分法构造区间套：记2nn n b a c +=（不妨设S c n ∂∉），并取Λ,2,1,,],[,,],[],[11=⎩⎨⎧=++n S c c a S c b c b a n nn n n n n n 的外点为的内点为．此区间套的特征是：其中每个闭区间的左端点n a 恒为S 的内点，右端点n b 恒为S 的外点．现设y b a n n n n ==∞→∞→lim lim ，下面证明S y ∂∈．由区间套定理的推论，0>ε∀，当n 足够大时，);(],[ε⊂y U b a n n ，因此在);(εy U 中既含有S 的内点（例如n a )，又含有S 的外点（例如n b ），所以10x x 上的点y 必是S 的界点． □ ６．证明聚点定理的推论２和推论３．（１）推论２ nℜ中的无限点集S 为有界集的充要条件是：S 的任一无限子集必有聚点．证［必要性］当S 为有界集时，S 的任一无限子集亦为有界集，由聚点定理直接推知结论成立．［充分性］用反证法来证明．倘若S 为无界集，则必能求得一个点列{}S P k ⊂, 使得+∞=∞→||||lim k k P ．这个{}k P 作为S 的一个无限子集不存在聚点，与条件矛盾．故S为有界集． □（２）推论３ nℜ中的无限点集S 为有界闭集的充要条件是：S 为列紧集，即S的任一无限子集必有属于S 的聚点．证［必要性］因S 有界，故S 的任一无限子集亦有界，由聚点定理，这种无限子集必有聚点．又因子集的聚点也是S 的聚点，而S 为闭集，故子集的聚点必属于S ．［充分性］由上面（１）的充分性证明，已知S 必为有界集．下面用反证法再来证明S 为闭集．倘若S 的某一聚点S P ∉，则由聚点性质，存在各项互异的点列{}S P k ⊂，使 P P k k =∞→lim ．据题设条件，{}k P 的惟一聚点P 应属于S ，故又导致矛盾．所以S 的所有聚点都属于S ，即S 为闭集． □７．设X B A X f X mn ⊂ℜ→ℜ⊂,,,:．证明：（１）)()()(B f A f B A f ⋃=⋃；（２）)()()(B f A f B A f ⋂⊂⋂；（３）若f 为一一映射，则)()()(B f A f B A f ⋂=⋂．证（１）)(,,)(x f y B A x B A f y =⋃∈∃⋃∈∀使．若)(,A f y A x ∈∈则；若)(,B f y B x ∈∈则．所以，当)()()(,B f A f x f y B A x ⋃∈=⋃∈时．这表示)()()(B f A f B A f ⋃⊂⋃．反之，)(,,)()(x f y X x B f A f y =∈∃⋃∈∀使．若A x A f y ∈∈则,)(；若B x B f y ∈∈则,)(，于是B A x ⋃∈．这表示)()(B A f x f y ⋃∈=，亦即)()()(B f A f B A f ⋃⊃⋃．综上，结论)()()(B f A f B A f ⋃=⋃得证．（２）y x f B A x B A f y =⋂∈∃⋂∈∀)(,,)(使.因A x ∈且B x ∈，故)()()()(B f x f A f x f ∈∈且，即 )()()(B f A f x f y ⋂∈=,亦即 )()()(B f A f B A f ⋂⊂⋂．然而此式反过来不一定成立．例如]2,1[,]1,2[,)(2-=-==B A x x f ，则有]4,0[)()()()(=⋂==B f A f B f A f ； ]1,0[)(,]1,1[=⋂-=⋂B A f B A ．可见在一般情形下，)()()(B A f B f A f ⋂⊄⋂．（３）)()(B f A f y ⋂∈∀，B x A x ∈∈∃21,，使)()(21x f x f y ==．当f 为一一映射时，只能是B A x x ⋂∈=21，于是)(B A f y ⋂∈，故得)()()(B A f B f A f ⋂⊂⋂．联系（２），便证得当f 为一一映射时，等式)()()(B A f B f A f ⋂=⋂成立． □８．设mn m n c b a g f ℜ∈ℜ∈ℜ→ℜ,,,,:，且c x g b x f ax ax ==→→)(lim ,)(lim ．证明：（１）0||||,||||||)(||lim ==→b b x f ax 当且时可逆；（２）c b x g x f ax T])()([lim =T →．证设[][]T T ==)(,,)()(,)(,,)()(11x g x g x g x f x f x f m m ΛΛ，T T T ===],,[,],,[,],,[111m m n c c c b b b a a a ΛΛΛ．利用向量函数极限与其分量函数极限的等价形式，知道m i c x g b x f i i ax i i ax ,,2,1,)(lim ,)(lim Λ===→→．（１）||||)()(lim||)(||lim 221221b b b x f x f x f m m ax ax =++=++=→→ΛΛ．当0||||=b 时，由于||)(||||||||)(||x f b x f =-，因此由0||)(||lim =→x f ax ，推知m i x f i ax ,,2,1,0)(lim 2Λ==→，即得0)(lim =→x f ax ．（２）类似地有cb c b c b x g x f x g x f x g x f m m m m ax ax T→T →=+=++=ΛΛ1111])()()()([lim ])()([lim .□９．设mn D f D ℜ→ℜ⊂:,．试证：若存在证数r k ,，对任何D y x ∈,满足r y x k y f x f ||||||)()(||-≤-，则f 在D 上连续，且一致连续．证这里只需直接证明f 在D 上一致连续即可．0,01>⎪⎭⎫ ⎝⎛ε=δ∃>ε∀rk ，对任何D y x ∈,，只要满足δ<-||||y x ，便有ε<-≤-r y x k y f x f ||||||)()(||．由于这里的δ只与ε有关，故由一致连续的柯西准则（充分性），证得f 在D 上一致连续． □１０．设mn D f D ℜ→ℜ⊂:,．试证：若f 在点D x ∈0连续，则f 在0x 近旁局部有界．证由f 在点0x 连续的定义，对于1=ε，0>δ∃，当)(0δ∈;x U x 时，满足||)(||1||)(||1||)()(||||)(||||)(||000x f x f x f x f x f x f +≤⇒<-≤-，所以f 在0x 近旁局部有界． □１１．设m n f ℜ→ℜ:为连续函数，n A ℜ⊂为任一开集，nB ℜ⊂为任一闭集．试问)(A f 是否必为开集？)(B f 是否必为闭集？为什么？解 )(A f 不一定为开集．例如),(,sin )(ππ-∈=x x x f ．这里),(ππ-=A 为开集，但]1,1[)(-=A f 却为闭集．当B 为有界闭集时，由连续函数的性质知道)(B f 必为闭集且有界．但当B 为无界闭集时，)(B f 就不一定为闭集，例如),(,arctan )(∞+-∞∈=x x x f ．这里),(∞+-∞=B 可看作一闭集，而⎪⎭⎫ ⎝⎛ππ-=2,2)(B f 却为一开集． □ １２．设nn D D ℜ→ϕℜ⊂:,．试举例说明：（１）仅有D D ⊂ϕ)(，ϕ不一定为一压缩映射；（２）仅有存在)10(<<q q ，使对任何D x x ∈''',，满足||||||)()(||x x q x x ''-'≤''ϕ-'ϕ，此时ϕ也不一定为一压缩映射．解（１）例如),0[,1)(∞+∈+=ϕx x x ．这里),0[∞+=D 为一闭域，它虽然满足D D ⊂∞+=ϕ),1[)(，但因|||)()(|x x x x ''-'=''ϕ-'ϕ，所以ϕ不是压缩映射．（注：这也可根据压缩映射原理来说明，由x x =+1无解，即ϕ没有不动点，故ϕ不是压缩映射．）（２）例如]1,1[,12)(-=∈+=ϕD x xx ．它虽然满足 )50(||21|)()(|.=''-'=''ϕ-'ϕq x x x x ，但因D D ⊄⎥⎦⎤⎢⎣⎡=ϕ23,21)(，故此ϕ仍不是一个压缩映射． □ １３．讨论b a ,取怎样的值时，能使下列函数在指定的区间上成为一个压缩映射：（１）],[,)(1b a x x x ∈=ϕ；（２）],[,)(22a a x x x -∈=ϕ；（３）],[,)(3b a x x x ∈=ϕ；（４）],0[,)(4a x b ax x ∈+=ϕ．解（１）由|||)()(|11x x x x ''-'=''ϕ-'ϕ，可知对任何b a ,，1ϕ在],[b a 上都不可能是压缩映射．（２）首先，只有当10≤≤a 时，才能使],[],0[)],[(22a a a a a -⊂=-ϕ．其次，由于对任何],[,a a x x -∈'''都有||2|||||)()(|22x x a x x x x x x ''-'<''-'⋅''+'=''ϕ-'ϕ，因此只要取120<=<a q ，即210<<a ，就能保证2ϕ在],[a a -上为一压缩映射．（３）由],[],[)],[(3b a b a b a ⊂=ϕ，可知b a ≤≤≤10．再由||21||||x x ax x x x x x ''-'<''+'''-'=''-'，又可求得21>a ，即41>a ．所以，当取b a ≤≤<141时，就能保证3ϕ在],[b a 上为一压缩映射．（４）由于0>a ，因此可由a b a b ax b ≤+≤+≤≤20，解出a a ≤2（即10≤<a ），0≥b ．再由||||x x a b x a b x a ''-'=-''-+'，可见只要0,10≥<<b a ，就能保证4ϕ在],0[a 上为一压缩映射． □１４．试用不动点方法证明方程0ln =+x x 在区间[]3/2,2/1上有惟一解；并用迭代法求出这个解（精确到四位有效数字）．解若直接取x x x x x ln )ln ()(-=+-=ϕ，则因∈>≥=ϕ'x x x ,1231|)(|[]3/2,2/1，可知ϕ在[]3/2,2/1上不是压缩映射．为此把方程改写成x x -=e ，并设x x x x x --=--=ϕe e )()(．由于在[]3/2,2/1上 11|||)(|<≤-=ϕ'-ee x x ，且[][]3/2,2/1],[)3/2,2/1(2/13/2⊂=ϕ--e e ，所以x x -=ϕe )(在[]3/2,2/1上为一压缩映射，且在[]3/2,2/1上有惟一不动点．取2/10=x ，按kx k x -+=e1迭代计算如下：k k x k k x k k x０１２３0.5 0.6065 0.5452 0.57974 5 6 70.5601 0.5712 0.5649 0.5684M M 15 16 170.5672 0.5671 0.5671所以，方程x x -=e 即0ln =+x x 的解（精确到四位有效数字）为17650.=*x ． □１５．设 nB f ℜ→:，其中{}r x x x B n ≤ρℜ∈=),(|0为一个n 维闭球（球心为0x ）．试证：若存在正数)10(<<q q ，使对一切B x x ∈''',，都有||||||)()(||x x q x f x f ''-'≤''-'， r q x x f )1(||)(||00-≤-，则f 在B 中有惟一的不动点．证显然，只需证得了B B f ⊂)(，连同条件便知f 在B 上为一压缩映射，从而有惟一的不动点．现证明如下：)(,x f y B x =∈∀．由r x x ≤-||||0，以及题设条件的两个不等式，得到.r r q r q r q x x q x x f x f x f x y =-+≤-+-≤-+-≤-)1()1(||||||)(||||)()(||||||00000这表示B x f y ∈=)(，即B B f ⊂)(． □第三章微分学１．考察||)(x x f xe =的可导性．解写出)(x f 的分段表达式：⎩⎨⎧<-≥=.0,,0,)(x x x x x f xx e e它在0≠x 时的导数为⎩⎨⎧<+->+=';0,)1(,0,)1()(x x x x x f xx e e而当0=x 时，由于10lim )0(,10lim )0(00=-='-=--='+-→+→-x e x f x e x f x x x x ，因此f 在0=x 处不可导． □２．设⎩⎨⎧<+≥=.3,,3,)(2x b ax x x x f若要求f 在3=x 处可导，试求b a ,的值．解首先，由f 在3=x 处必须连续，得到93=+b a ，或a b 39-=-．再由a x x a xb ax f x x =--=--+='--→→-3)3(lim 39lim)3(33，6)3(lim 39lim )3(323=+=--='++→→+x x x f x x ，又得939,6-=-==a b a ． □３．设对所有x ，有)()()(x h x g x f ≤≤，且)()(,)()()(a h a f a h a g a f '='==．试证：)(x g 在a x =处可导，且)()(a f a g '='．证由条件，有)()()()()()(a h x h a g x g a f x f -≤-≤-，从而又有)()()()()()()(a x a x a h x h a x a g x g a x a f x f >--≤--≤--， )()()()()()()(a x ax a h x h a x a g x g a x a f x f <--≥--≥--．由于)()(a h a f '='，因此)()()()()(a h a h a f a f a f -+-+'='='='='，故对以上两式分别取-+→→a x a x 与的极限，得到)()()()()()(a h a g a f a h a g a f ---+++'='=''='='与．于是有)()(a g a g -+'='，即证得)(x g 在a x =处可导，且)()(a f a g '='． □４．证明：若)(x f 在],[b a 上连续，且0)()(,0)()(>''==-+b f a f b f a f .，则存在点),(b a ∈ξ，使0)(=ξf ．证如图所示，设0)(,0)(>'>'-+b f a f ．由极限保号性，在点a 的某一右邻域)(a U +ο 内，使0)(0)()(>'⇒>-'-'x f a x a f x f ，∈'x )(a U +ο；同理，在点b 的某一左邻域内，有0)(0)()(<''⇒>-''-''x f bx b f x f ，∈''x )(b U -ο．最后利用连续函数)(x f 在],[x x '''上的介值性，必定),(),(b a x x ⊂'''∈ξ∃，使0)(=ξf ． □*５．设),(,)(b a x x f ∈，它在点),(0b a x ∈可导；{}{}n n y x 与是满足b y x x a n n <<<<0),2,1(Λ=n ，且n n n n y x x ∞→∞→==lim lim 0的任意两个数列．证明：)()()(lim0x f x y x f y f nn n n n '=--∞→．证先作变形：nn n n n n n n n n n n n n x x x f x f x y x x x y x f y f x y x y x y x f y f ----+----=--000000)()()()()()(..．由)(0x f '存在，故δ<-<>δ∃>ε∀||0,0,00x x 当时，有ε<'---<ε-)()()(000x f x x x f x f ．又由0lim lim x y x n n n n ==∞→∞→，故对上述0>δ，N n N >>∃当,0时，有δ<-<δ<-<n n x x x y 000,0．从而得到ε<'---<ε-)()()(000x f x y x f y f n n ，ε<'---<ε-)()()(000x f x x x f x f nn ．分别以正数n n n x y x y --0与nn nx y x x --0乘以上两式，并相加，又得到.⎪⎪⎭⎫⎝⎛--+--ε<'⎪⎪⎭⎫⎝⎛--+-----<⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--+--ε-n n n n n n n n n n n n n n nn nn n n x y x x x y x y x f x y x x x y x y x y x f y f x y x x x y x y 000000000)()()(把它化简整理后，即为)()()()(0N n x f x y x f y f nn n n >ε<'---<ε-．从而证得结论：)()()(lim0x f x y x f y f nn n n n '=--∞→． □６．设)(x f 在],[b a 上连续，在),(b a 内可导，通过引入适当的辅助函数，证明：（１）存在),(b a ∈ξ，使得)()(])()([222ξ'-=-ξf a b a f b f ；（２）存在),(b a ∈η，使得)0()()ln ()()(b a f a ba fb f <<η'η=-．证（１）在一般形式的中值定理（定理3 . 8 ）中，令2)(x x g =，即得本题结论．（２）把欲证的式子改写成)(]ln ln [1])()([η'-=η-f a b a f b f ，且令x x g ln )(=，上式即为关于)(x f 与)(x g 所满足的一般中值公式． □７．证明推广的罗尔定理：若)(x f 在),(∞+∞-上可导，且l x f x f x x ==∞+→∞-→)(lim )(lim（包括)∞±=l ,则存在ξ，使得0)(=ξ'f ．证关键在于证明存在两点b a ,，使)(a f )(b f =．为此任取一点0x ，使l x f ≠)(0（这样的点0x 若不存在，则0)()(≡'⇒≡x f l x f ）．如图所示，设l x f <)(0．由于l x f x =∞→)(lim ，因此对于02)(0>-=εx f l ，0>∃X ，当X x >||时，满足ε+<<ε-l x f l )(．现取X x X x >''-<',，并使x x x ''<<'0．由于)()(,)()(00x f l x f x f l x f ''<ε-<>ε->'，借助连续函数的介值性，必存在),(),(00x x b x x a ''∈'∈与，使得])([21)()(0x f l l b f a f +=ε-==．于是由罗尔定理，存在),(b a ∈ξ，使得0)(=ξ'f ． □８．证明：若)(x f 和)(x g 在],[b a 上连续，在),(b a 内可导，且0)(≠'x g ，则存在),(b a ∈ξ，使得)()()()()()(ξ--ξ=ξ'ξ'g b g a f f g f ．证令)()()()()()()(x g a f b g x f x g x f x --=ϕ，它在],[b a 上连续，在),(b a 内可导，且 )()()()(b g a f b a -=ϕ=ϕ．由罗尔定理，存在),(b a ∈ξ，使得0)()()()()()()()()(=ξ'-ξ'-ξ'ξ+ξξ'=ξϕ'g a f b g f g f g f ，即])()([)(])()([)(a f f g g b g f -ξξ'=ξ-ξ'．由于0)(≠ξ'g ，)()(ξ≠g b g （根据0)(≠'x g 和导函数具有介值性，推知)(x g '恒正或恒复，故)(x g 严格单调），因此可把上式化为结论式)()()()()()(ξ--ξ=ξ'ξ'g b g a f f g f ． □*９．设),(,|)(|,|)(|20∞+∞-∈≤''≤x M x f M x f ．证明：202|)(|M M x f ≤'，),(∞+∞-∈x ．证若02=M ，则可相继推出：B Cx x f C x f x f +=⇒≡'⇒≡'')()(0)(，再由0|)(|M x f ≤，可知0)(0≡'⇒=x f C ，结论成立．同理，当00=M 时结论同样成立．现设00>M ，02>M ．利用泰勒公式，⎪⎪⎭⎫⎝⎛+∈ξ∃202,M M x x ，使 )(421)(2)(222020ξ''+'+=⎪⎪⎭⎫⎝⎛+f M M x f M M x f M M x f .．由此得到,42)(2)(2|)(|20220020202M M M M M M f M M x f M M x f x f M M =++≤ξ''--⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+='于是证得 200022421|)(|M M M M M x f =≤'.． □*１０．设)(x f 在],[b a 上二阶可导，0)()(='='-+b f a f ．证明：),(b a ∈ξ∃，使得|)()(|)(4|)(|2a fb f a b f --≥ξ''．证将⎪⎭⎫⎝⎛+2b a f 分别在点a 与b 作泰勒展开： ⎪⎭⎫ ⎝⎛+2b a f ＝⎪⎭⎫ ⎝⎛+∈ξ⎪⎭⎫ ⎝⎛-ξ''+2,,2!2)()(121b a a a b f a f ，⎪⎭⎫ ⎝⎛+2b a f ＝⎪⎭⎫⎝⎛+∈ξ⎪⎭⎫ ⎝⎛-ξ''+b b a a b f b f ,2,2!2)()(222，以上两式相减后得到=-)()(a f b f [])()(221212ξ''-ξ''⎪⎭⎫ ⎝⎛-f f a b ．设=ξ'')(f {})(,)(max21ξ''ξ''f f ，则有≤-)()(a f b f ())(2)()(2212212ξ''⎪⎭⎫ ⎝⎛-≤ξ''+ξ''⎪⎭⎫ ⎝⎛-f a b f f a b ，于是证得结论： |)()(|)(4|)(|2a fb f a b f --≥ξ''． □*１１．设在],0[a 上有M x f ≤'')(，且)(x f 在),0(a 内存在最大值．证明： M a a f f ≤'+')()0(．证设)(x f 在∈c ),0(a 取得最大值，则)(c f 也是一个极大值，故0)(='c f ．由微分中值公式得到),0(,)()0()()()0(111c f c c f c f f ∈ξξ''-=-ξ''+'='， ),(,)()()()()()(222a c f c a c a f c f a f ∈ξξ''-=-ξ''+'='；从而又有M c a f c a a f cM f c f )()()()(,)()0(21-≤ξ''-='≤ξ''='，由此立即证得 M a a f f ≤'+')()0(． □*１２．证明：若),(00y x f x '存在，),(y x f y'在点0P ),(00y x 连续，则),(y x f 在点0P 可微．证 =∆z -∆+∆+),(00y y x x f ),(00y x f =-∆+∆+),([00y y x x f ]),(00y x x f ∆+ -∆++),([00y x x f ]),(00y x f ．因),(y x f y'在点0P 连续，故z ∆的第一部分可表为 -∆+∆+),(00y y x x f ),(00y x x f ∆+=y y y x x f y∆∆θ+∆+'),(00 =y y y x f y ∆β+∆'),(00（其中0lim 0=β→∆→∆y x ）；又因),(00y x f x '存在，故z ∆的第二部分可表为-∆+),(00y x x f =),(00y x f x x y x f x ∆α+∆'),(00（其中0lim 0=α→∆x ）．所以有=∆z +∆'x y x f x ),(00y x y y x f y∆β+∆α+∆'),(00，而且由于)0,0(0||||22→∆→∆→β+α≤∆+∆∆β+∆αy x yx y x ，便证得),(y x f 在点0P 可微． □１３．若二元函数f 与g 满足：f 在点0P ),(00y x 连续，g 在点0P 可微，且0)(0=P g ，则g f .在点0P 可微，且)()()(000P g P f g f P d d =.．证记g f h .=．由于g 在点0P 可微，根据定理３.４（必要性），存在向量函数[])(,)()(21P G P G P G =，它在点0P 连续，且满足.)()(,))(()()()(0000P G P g P P P G P g P g P g ='-=-=由此得到,)()()()()()()()()()()(00000P P P H P P P G P f P g P f P g P f P h P h -=-=-=-其中)()()(P G P f P H =在点0P 连续．仍由定理３.４（充分性），推知h 在点0P 可微，且因)()()()()()(000000P g P f P G P f P H P h '===，进一步证得 )()()(000P g P f hg f P P d d d ==.． □１４．设⎪⎩⎪⎨⎧=≠+=.)0,0(),(,0,)0,0(),(,),(222y x y x y x y x y x f证明：（１）f 在原点O )0,0(连续；（２）y x f f '',在点O 都存在；（３）y x f f '',在点O 不连续；（４）f 在点O 不可微．证（１）若令θ=θ=sin ,cos r y r x ，则因0sin cos lim )sin ,cos (lim 20=θθ=θθ→→r r r f r r ，可知f 在0=r 处（即在点O 处）连续．（２） ⎪⎩⎪⎨⎧.0)0,0(),0(lim )0,0(,0)0,0()0,(lim)0,0(0=∆-∆='=∆-∆='→∆→∆yf y f f xf x f f y yx x（３）求出⎪⎩⎪⎨⎧≠≠+-=';)0,0(),(,0,)0,0(),(,)()(),(222222y x y x y x x y y y x f x⎪⎩⎪⎨⎧≠≠+='.)0,0(),(,0,)0,0(),(,)(2),(2223y x y x y x y x y x f y由于当0≠r 时,,sin cos 2)sin ,cos (,)cos sin (sin )sin ,cos (3222θθ=θθ'θ-θθ=θθ'r r f r r f y x它们都不随0→r 而趋于0( 随θ而异 )，因此yx f f '',在点O 都不连续．（４）倘若f 在点O 可微，则.)()0,0()0,0()0,0(),(22222y x o y x y x y f x f f y x f y x ∆+∆=∆+∆∆∆=∆'-∆'--∆∆但是当令θ=∆θ=∆sin ,cos r y r x 时，)0(0\sin cos )(22/3222→→θθ=∆+∆∆∆r y x y x ，所以f 在点O 不可微．□１５．设可微函数),(y x f 在含有原点为内点的凸区域D 上满足0),(),(='+'y x f y y x f x yx ．试证：≡),(y x f 常数，D y x ∈),(．证对于复合函数θ=θ==sin ,cos ,),(y r x y x f z ，由于,)0(0)(1sin cos ≠='+'=θ'+θ'=∂∂'+∂∂'=∂∂r f y f x rf f ryf r x f r z yx yx y x因此在极坐标系里f 与r 无关，或者说f 只是θ的函数（除原点外）．如图所示，2121,,OP OP D P P 与∈∀的极角分别为21θθ与．若21θ=θ，则由上面讨论知道)()(21P f P f =．若21θ≠θ，此时利用f 在点O 连续，当动点P 分别沿半直线21θ=θθ=θ与趋向点O 时，f 在1θ=θ上的常值与在2θ=θ上的常值都应等于)(O f ．这就证得)()(21P f P f =，即≡),(y x f 常数，D y x ∈),(． □*１６．设二元函数),(y x f 在2ℜ上有连续偏导数，且)1,0()0,1(f f =．试证：在单位圆122=+y x 上至少有两点满足),(),(y x f x y x f y yx '='．证在单位圆1=r 上，记π≤θ≤θθ=θϕ20,)sin ,cos ()(f ．由于y xf f ''与连续，故f 可微，一元函ϕ也可微．已知)2()1,0()0,1()0(πϕ===ϕf f ，由罗尔定理，)2,0(1π∈θ∃，使得0)(1=θϕ'．同理，由)2()2(πϕ=πϕ，)2,2(2ππ∈θ∃，使得0)(2=θϕ'．而y x yx f x f y f r f r r r f '+'-='θ+'θ-=θθθ∂∂cos sin )sin ,cos (， 1)()(='+'-=θϕ'r yx f x f y ，故在1=r 上存在两点)sin ,cos ()sin ,cos (222111θθθθP P 和，满足2,1,)()(='='i P f x P f y i y i x． □ １７．证明：（１）若),(y x f 在凸开域D 上处处有0),(),(='='y x f y x f y x，则≡),(y x f 常数，D y x ∈),(；*（２）若),(y x f 在开域D 上处处有0),(),(='='y x f y x f y x ，则同样有≡),(y x f 常数，D y x ∈),(．证（１）由于D 为凸开域，因此D y x y x ∈∀),(,),(21，联结这两点的直线段必含于D , 根据§３.５的例１０知道),(y x f 与x 无关；类似地，),(y x f 又与y 无关．这样，f 在D 上各点处的值恒相等．（２）当D 为一般开域时（如图），D Q P ∈∀,,必存在一条全含于D 内、联结Q P ,两点的有限折线．又因这条折线上的点全为D 的内点，故在每一点处有一邻域含于D 限个邻域所覆盖．在这每一个邻域内，由（１）已知≡),(y x f 常数，而相邻两个邻域之交非空，故经有限次推理，可知)()(Q f P f =．由Q P ,在D 内的任意性，这就证得在整个D 上≡),(y x f 常数． □ １８．证明：若),(y x f 存在连续的二阶偏导数，且令θ+θ=θ-θ=cos sin ,sin cos v u y v u x（其中θ为常量），则在此坐标旋转变换之下，yy xxf f ''+''为一形式不变量，即 vv uu yy xxf f f f ''+''=''+''．证由条件，x y y xf f ''=''，且有 xOy• D•QP⎩⎨⎧θ'+θ'-=''+''='θ'+θ'=''+''=';cos sin ,sin cos y x v y vx v y x u y ux u f f y f x f f f f y f x f f⎪⎩⎪⎨⎧θ''+θθ''-θ''=''θ''+θθ''+θ''=θ'''+'''+θ'''+'''=''.2222cos cos sin 2sin ,sin cos sin 2cos sin )(cos )(y y y x x x vv y y y x x x u y y u x y u y x ux x u u f f f f f f f y f x f y f x f f 由此容易推至结论 vv uu yy xxf f f f ''+''=''+''成立． □ *１９．设2ℜ⊂D 为一有界闭域，),(y x f 在D 上可微，且满足),(),(),(y x f y x f y x f yx ='+'．证明：若f 在D ∂上的值恒为零，则f 在D 上的值亦恒为零．证由于f 在D 上可微，D 为有界闭域，因此f 在D 上存在最大值和最小值，分别设为)()(21P f m P f M ==和．如果D P int 1∈，则)(1P f 为一极大值，故满足0)()(11='='P f P f y x，由条件， 0)()()(111='+'==P f P f P f M yx ；如果D P int 2∈，则)(2P f 为一极小值，同理有0)(2==P f m ；如果M 与m 都在D 的内部取得，则有0==m M ；如果D P P ∂∈)(21或，则由条件又使M 0)(=m 或．综上，在任何情形下恒有D y x y x f m M ∈≡⇒==),(,0),(0． □ ２０．设),(v u f 为可微函数．试证：曲面0),(=--by z ay x f 的任一切平面恒与某一直线平行．证由于f 可微，因此该曲面在其上任一点处的法向量为()v v u u f f b f a f z f y f x f n ''-'-'=⎪⎪⎭⎫⎝⎛∂∂∂∂∂∂=,,,,ρ．又因0=l n ρρ.，其中),1,(b a l =ρ，所以上述法向量n ρ恒与常向量l ρ正交．这说明以n ρ为法向量的切平面恒与以l ρ为方向向量的直线相互平行． □２１．证明：以λ为参数的曲线族。

《数学分析选论》习题解答

/ 10'. （２）)(211412,21142122kkkakkakk，故 21lim,21limnnnnaa．（３）)(13cos211nnnn，故 1limlimlimnnnnnnaaa．（４）.38,18,12222,8,12,4,0,28,12,38,18,12224sin12kknnnknnnknknnnkknnnnnnan 故2lim,2limnnnnaa．（５）)(sin)1(sin1222nnnnnnnnan，故 nnnnnnaaalimlimlim． □ 71．设na为有界数列，证明：（１）1lim)(limnnnnaa；（２）nnnnaalim)(lim．证由 )(sup)(inf,)(inf)(supknkknkknkknkaaaa，令n取极限，即得结论（１）与（２）． □ 81．设0limnna，证明：（１）nnnnaalim11lim；（２）nnnnaalim11lim；（３）若11limlimnnnnaa，或11limlimnnnnaa，则na必定收敛．
/ 10'. （１）S为有界集；（２）S的所有聚点都属于S．证（１）倘若S无上界，则对1111,,1MxSxM使；一般地，对于,3,2,,,,max1nMxSxxnMnnnnn使．这就得到一个各项互异的点列nnnxSxlim,使．S的这个无限子集没有聚点，与题设条件相矛盾，所以S必有上界．同理可证S必有下界，故S为有界集．（２）因S为有界无限点集，故必有聚点．倘若S的某一聚点S0，则由聚点的性质，必定存在各项互异的数列0lim,nnnxSx使．据题设条件，nx的惟一聚点0应属于S，故又导致矛盾．所以S的所有聚点都属于S． □ 51．证明：nnaasup，则必有nnalim．举例说明，当上述属于na时，结论不一定成立．证利用§1.3 例4，nnaak，使knnalim，这说明是na的一个聚点．又因又是na的上界，故na不可能再有比更大的聚点．所以是na的上极限．当na时，结论不一定成立．例如，1,111supnn显然不是n1的上极限． □ 61．指出下列数列的上、下极限：（１）n)1(1；（２）12)1(nnn；（３）nn3cos；（４）4sin12nnn；（５）nnnsin12．解（１）0lim,2lim,0,2122nnnnkkaaaa故．

数学分析选讲复习资料参考答案

数学分析选讲复习资料参考答案一、选择题（将符合要求的结论题号，填在题末的括号内，每题至多选两个题号）：1、下列命题中，正确的是：A 、若()f x 在点0x 连续，则()f x 在0x 连续；B 、若 ()f x 在(,)a b 上连续；则对0,()f x ε∀>在[,]a b εε+-上连续；C 、若()f x 是初等函数，其定义域为(,)a b ，则()f x 在(,)a b 有界；D 、函数()y f x =在0x 点连续的充要条件是()f x 在0x 点的左、右极限存在. 答：（ B ） 2、当0x x →时，()f x 以B 为极限，则A 、0,0,εδ∀>∀>存在x 满足00,x x δ<-<有()f xB ε-<; B 、0,0,εδ∀>∃>00x x δ<-<当时，有()f x B ε-<；C 、存在00{},(1,2),()n n n x x x n x x n ≠=→→∞L ，使{()}n f x 不以B 为极限；D 、0x x →时，()f x 的极限存在. 答：（ B D ）3、设函数()f x 在[,]a b 上连续，则在[,]a b 上有A 、()()ba d f x dx f x dx =⎰； B 、()()xad f t dt f x dx =⎰；C 、；()f x 在[,]a b 上单调；D 、()f x 在[,]a b 上未必有最大值. 答：（ B ） 4、设级数n u ∑收敛，则A 、0,N ∃> 当n m N >>时，11/2m m n u u u ++++<L .B 、{}1n n u =∞有界；C 、绝对收敛；D 、 lim n n u →∞未必存在答：（ AB ） 5、若数列{}1n n a =∞满足lim nn a a →∞=，则下列说法正确的是（ B ）A 、0,ε∀> 0,N ∀>当n N >时，都有n a a ε-<。

(完整版)数学分析选讲参考答案

《数学分析选讲》A/B 模拟练习题参考答案1、选择题：（共18题，每题3分）1、下列命题中正确的是（ A B ）A 、若，则是的不定积分，其中为任意常数'()()F x f x =()F x c +()f x c B 、若在上无界，则在上不可积()f x [,]a b ()f x [,]a b C 、若在上有界，则在上可积()f x [,]a b ()f x [,]a b D 、若在上可积，则在上可积()f x [,]a b ()f x [,]a b 2、设，则当时，有（ B ）243)(-+=x x x f 0→x A ．与是等价无穷小)(x f x B ．与同阶但非是等价无穷小)(x f x C ．是比高阶的无穷小)(x f x D ．是比低阶的无穷小)(x f x 3、若为连续奇函数,则为( A )f ()x f sin A 、奇函数 B 、偶函数C 、非负偶函数D 、既不是非正的函数,也不是非负的函数.4、函数在上连续是在上可积的（ A ）条件()f x [,]a b ()f x [,]a b A. 充分非必要 B. 必要非充分C. 充分必要条件D. 非充分也非必要条件.5、若为连续奇函数,则为( B )f ()x f cos A 、奇函数 B 、偶函数C 、非负偶函数D 、既不是非正的函数,也不是非负的函数.6、设则是的（ B ）arctan (),xf x x=0x =()f x A. 连续点 B. 可去间断点 C.跳跃间断点 D. 第二类间断点7、设,当时,恒有,已知,.则正确的+N ∈∃N N n >n n b a >A a n n =∞→lim B b n n =∞→lim 选项是( A )A 、B 、C 、D 、A 和B 的大小关系不定.B A ≥B A ≠B A >8、函数f(x,y) 在点连续是它在该点偏导数都存在的（ A ）00(,)x y A.既非充分也非必要条件 B 充分条件C.必要条件 D.充要条件9、极限( D )=+-∞→3321213limx x x A 、B 、C 、D 、不存在.323323-323±10、部分和数列有界是正项级数收敛的( C )条件}{n S ∑∞=1n n u A. 充分非必要 B. 必要非充分 C.充分必要 D.非充分非必要11、极限( A )=⎪⎭⎫ ⎝⎛-→210sin lim x x x x A 、 B 、 C 、 D 、不存在.13e -13e 3e -12、与的定义等价的是（ B D ）lim n n x a →∞=A 、总有0,ε∀>n x a ε-<B 、至多只有的有限项落在之外0,ε∀>{}n x (,)a a εε-+C 、存在自然数N ，对当，有0,ε∀>n N >n x a ε-<D 、存在自然数N ，对有0(01),εε∀><<,n N ∀>n x a ε-<13、曲线( D )2211x x ee y ---+=A 、没有渐近线B 、仅有水平渐近线C 、仅有垂直渐近线D 、既有水平渐近线, 也有垂直渐近线14、下列命题中，错误的是（ A D ）A 、若在点连续，则在既是右连续，又是左连续 ()f x 0x ()f x 0xB 、若对在上连续，则在上连续0,()f x ε∀>[,]a b εε+-()f x (,)a bC 、若是初等函数，其定义域为，，则()f x (,)a b 0(,)x a b ∈00lim ()()x x f x f x →=D 、函数在点连续的充要条件是在点的左、右极限存在且相()y f x =0x ()f x 0x 等15、设为单调数列，若存在一收敛子列，这时有（ A ）{}n a {}j n aA 、　j n j n n a a ∞→∞→=lim lim B 、不一定收敛 {}n a C 、不一定有界{}n a D 、当且仅当预先假设了为有界数列时，才有A 成立{}n a 16、设在R 上为一连续函数，则有（ C ） )(x f A 、当为开区间时必为开区间　I )(I f B 、当为闭区间时必为闭区间)(I f I C 、当为开区间时必为开区间　)(I f I D 、以上A,B,C 都不一定成立17、下列命题中错误的是（ＡＣ）A 、若，级数收敛，则收敛；lim 1nn nu v →∞=1n n v ∞=∑1n n u ∞=∑B 、若，级数收敛，则不一定收敛；(1,2)n n u v n ≤= 1n n v ∞=∑1n n u ∞=∑C 、若是正项级数，且有则收敛；1n n u ∞=∑,,N n N ∃∀>11,n n u u +<1n n u ∞=∑D 、若，则发散lim 0n n u →∞≠1n n u ∞=∑18、设为一正项级数，这时有（ D ）∑∞=1n n uA 、若,则收敛 0lim =∞→n n u ∑∞=1n n u B 、若收敛，则∑∞=1n n u 1lim1<+∞→nn n u u C 、若收敛，则　∑∞=1n n u 1lim <∞→n n n u D 、以上A,B,C 都不一定成立2、填空题：（共15题，每题2分）1、设，则2或-22sin cos cos 20x y y y -+=='=2πy y 2、=n n n )11(lim -∞→e 13、=111(lim +∞→+n n n e 4、= 2 221lim 220---→x x x x 5、设收敛，则= 1021(10)n n x ∞=-∑lim n n x →∞6、= 121lim 221---→x x x x 327、2(,)limx y →=8、8 =-+→114sin limx xx9、设，则3()cos F x x '==)(x F C xx +-3sin sin 310、设，则 x y e =(2016)y =x e 11、幂级数的收敛半径为 11n ∞=12、积分的值为 0321421sin 21x xdx x x -++⎰13、曲线与轴所围成部分的面积为 36228y x x =--x 14、lim 1xx x x →∞⎛⎫= ⎪+⎝⎭1e -15、= 02222)0,0(),(lim y x y x y x +→三、计算题：（共15题，每题8分）1、求.⎰222,2sin 2cos 2cos 4cos t t tdt t d t t t t tdt===-=-+⎰⎰⎰⎰222cos 4sin 2cos 4sin 4sin t t td t t t t t tdt=-+=-+-⎰⎰=2x C-+2、将展开成的幂级数，并指出其收敛域。