Dec 1
(1)设$\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty}a_n$是正项收敛级数,试证明
\[ I=\sum_{n=1}^{\infty}a_{n}^{1-\frac{1}{n}}\]
收敛。
(2)设$\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}a_n$是正项收敛级数,试证明
\[ I=\sum_{n=1}^{\infty}a_{n}^{\frac{bn}{1+bn}}\qquad (b>0) \]
(3)设正项级数$\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}a_n$收敛。若正数列$\{b_n\}$满足$\displaystyle b_{n}=o\left(\frac{1}{\ln n}\right)(n\to\infty)$,则
\[ I=\sum_{n=2}^{\infty}a_{n}^{1-b_n}\]
收敛。
(4)设$\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}a_n$是收敛的正项级数,则
\[ \sum_{n=1}^{\infty}a_n\cdot\frac{\ln\left(\frac{1}{a_n}\right)}{\ln(1+a_n)}\]
收敛。
(5)设$0<a_n<1$,$n\in \mathbf{N}$,若$\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}\frac{a_n}{\ln a_n}$收敛,则
\[ \sum_{n=1}^{\infty}\frac{a_n}{\ln(n+1)}\]
收敛。
(6)设$\{a_n\}$是递增的正数列。若$\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{a_n}$收敛,则对任意的自然数$k$,级数$\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}\frac{(\ln a_n)^k}{a_n}$收敛的充分必要条件是级数$\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}\frac{(\ln n)^k}{a_n}\displaystyle$收敛.
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Nov 19

设函数$f(x)$在$[0,+\infty)$二阶可导,$f(0)\geq 0,f'(0)\geq 0$,且满足$f(x)\leq f''(x)$,求证
\[ f(x)\geq f(0)+f'(0)x \]
分析:只要证明$f'(x)$是单调递增的就好办了。为此
\[ f''(x)-f(x)\geq 0 \]
\[ (f''(x)+f'(x))-(f'(x)+f(x))\geq 0 \]
这说明
\[ h(x)=e^{-x}(f'(x)+f(x)) \]
在$[0,+\infty)$上递增,并且$h(x)\geq h(0)=f'(0)+f(0)\geq 0 $,作
\[ g(x)=e^{2x}\cdot h(x)=e^{x}(f'(x)+f(x)) \]
由于$e^{2x}>0$和$h$的非负性,及彼此的递增性,知$g(x)$也是递增的.
\[ g(x)=(e^{x}f(x))'_{x} \]
这说明$e^{x}f(x)$是凸函数。故有$g_{1}(x)=e^{x}f(x)$
\[ g_{1}(x)\geq g_{1}(0)+g_{1}'(0)x=f(0)+(f'(0)+f(0))x\geq 0\qquad (x\geq 0) \]
因此
\[ f(x)\geq 0 \]
马上得到
\[ f''(x)\geq f(x)\geq 0 \]
又由拉格朗日型余项的Taylor公式
\[ f(x)=f(0)+f'(0)x+\frac{1}{2}f''(\theta)x^2\geq f(0)+f'(0)x \]
 

Nov 19

求证
\[\lim_{x\to 0}\frac{1}{x^4}\left(\frac{1}{x}\left(\frac{1}{\tanh{x}}-\frac{1}{\tan{x}}\right)-\frac{2}{3} \right)=\frac{4}{945}\]
解:
\[ \left(\frac{1}{\tanh{x}}-\frac{1}{\tan{x}}\right)=\frac{(e^{x}+e^{-x})\sin{x}-(e^{x}-e^{-x})\cos{x}}{\sin{x}(e^{x}-e^{-x})}\]
注意到分母最后需要$x^7$项的系数(题外话:还能更高点么。。),为此,必须把$e^{x}+e^{-x}$展开到$o(x^8)$,$\sin{x}$展开到$o(x^9)$,$e^{x}-e^{x}$展开到$o(x^9)$,$\cos{x}$展开到$o(x^8)$.经过一系复杂的计算
\[ e^{x}+e^{-x}=2+x^2+\frac{1}{12}x^4+\frac{1}{360}x^6+o(x^8) \]
\[ \sin{x}=x-\frac{1}{6}x^3+\frac{1}{120}x^5-\frac{1}{5040}x^7+o(x^9) \]
\[ e^{x}-e^{-x}=2x+\frac{1}{3}x^3+\frac{1}{60}x^5+\frac{1}{2520}x^7+o(x^9) \]
\[ \cos{x}=1-\frac{1}{2}x^2+\frac{1}{24}x^4-\frac{1}{720}x^6+o(x^8)\]
\[ (e^{x}+e^{-x})\sin{x}-(e^{x}-e^{-x})\cos{x}=\frac{4}{3}x^4-\frac{2}{315}x^7+o(x^7) \]
同样,对于分母,也必须收集到$x^7$的系数。但这里可以不要那么多次。
\[ x(e^x-e^{-x})\sin{x}=x\left(x-\frac{1}{6}x^3+\frac{1}{120}x^5+o(x^7)\right)\left(2x+\frac{1}{3}x^3+\frac{1}{60}x^5+o(x^7)\right)=2x^3-\frac{1}{45}x^7+o(x^7) \]
所以,最后的极限应该是
\[ \lim_{x\to 0}\frac{1}{x^4}\left(\frac{\frac{4}{3}x^4-\frac{2}{315}x^7+o(x^7)}{2x^3-\frac{1}{45}x^7+o(x^7)}-\frac{2}{3} \right)=\frac{4}{945}\]
Done!


由这题可见,所谓的加边完全会造成极端复杂的运算,在计算的过程中,咱们得非常小心才是。

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这货还能继续加边成

\[\lim_{x\to0}\frac{1}{x^4}\left[\frac{1}{x^4}\left(\frac{1}{x}\left(\frac{1}{\tanh{x}}-\frac{1}{\tan{x}}\right)-\frac{2}{3} \right)-\frac{4}{945}\right]=\frac{4}{93555}\]

 

Nov 7

设$f(x)$在$R$上有连续的一阶导数,且
\[ \int_{-\infty}^{+\infty}\left(f^{2}(x)+(f'(x))^{2}\right)dx=1 \]
证明 $\forall x\in \mathbf{R}$,有$|f(x)|<\frac{\sqrt{2}}{2}$.

(西西提供)

证明
由条件可以得到
\[ \int_{-\infty}^{+\infty}f^{2}(x)dx\leq 1,\qquad \int_{-\infty}^{+\infty}(f''(x))^{2}dx\leq 1\]
故知道这两个无穷积分收敛,由Cauchy-Schwarz不等式,知道
\[ \int_{-\infty}^{+\infty}|f(x)f'(x)|dx\leq 1 \]
上面的无穷积分也是收敛的,接着,我们证明
\[\lim_{x\to+\infty}f^{2}(x)=\lim_{x\to-\infty}f^{2}(x)=0\]
为此,先看正无穷的情况。由于积分收敛,对任意的$\varepsilon>0$,存在$M>0$,当$x,y>M$,(不妨设$x<y$)有
\[ \int_{x}^{y}|f(x)f'(x)|dx<\varepsilon \]
因此,对任意的$x,y>M,(x<y)$,有
\[ |f^{2}(x)-f^{2}(y)|=2\left|\int_{x}^{y}f'(t)f(t)dt\right|<2\int_{x}^{y}|f'(t)f(t)|dt<2\varepsilon \]
由Cauchy收敛准则知
\[ \lim_{x\to+\infty}f^2(x)=A \]
再次看到无穷积分收敛,故只能有$A=0$,因此有
\[ \lim_{x\to+\infty}f^2(x)=0 \]
同理可得
\[ \lim_{x\to+\infty}f^2(x)=0=\lim_{x\to-\infty}f^2(x)\]
对$\forall x\in \mathbf{R}$
\begin{align*}
 f^{2}(x)&=\lim_{a\to+\infty}\frac{1}{2}(f^2(x)-f(a))+\frac{1}{2}(f^2(x)-f(-a))\\
 &=\lim_{a\to+\infty}\left(\int_{a}^{x}f(y)f'(y)dy+\int_{-a}^{x}f(y)f'(y)dy\right)\\
&= \int_{+\infty}^{x}f(y)f'(y)dy+\int_{-\infty}^{x}f(y)f'(y)dy\\
&\leq  \int_{-\infty}^{x}|f(y)f'(y)|dy\\
&\leq \frac{1}{2}\left[\int_{-\infty}^{+\infty}\left(f^{2}(x)+(f'(x))^{2}\right)dx\right]=\frac{1}{2}
\end{align*}
马上得到
\[ |f(x)|<\frac{\sqrt{2}}{2} \]

Nov 7

问题:设$f(x)$在$[0,2]$上连续,在$(0,2)$内三阶可导,且$\displaystyle \lim_{x\to 0^{+}}\frac{f(x)}{x}=2,f(1)=1,f(2)=6$,证明:存在$\xi\in(0,2)$使得$f'''(\xi)=9$.

(西西提供)


看到这个问题,我的办法是:
由\[ \lim_{x\to 0^{+}}\frac{f(x)}{x}=2\]
得到
\[ f(x)=2x+o(x)\qquad (x\to 0^{+}) \]
\[ \lim_{x\to 0^{+}}f(x)=0=f(0)\qquad \text{$f$在$x=0$的连续} \]
\[ f_{+}(0)=\lim_{x\to 0^{+}}\frac{f(x)-f(0)}{x}=2 \]
\[ f(1)=1\qquad f(2)=6 \]
于是想到构造一个三次多项式
\[ g(x)=ax^3+bx^2+cx+d \]
满足
\[ \left\{
\begin{array}{ll}
g(0)=0 &  \\
g'(0)=2 &  \\
g(1)=1 & \\
g(2)=6 &
\end{array}
\right.\]
解出$a,b,c,d$ 得到
\[ g(x)=\frac{3}{2}x^3-\frac{5}{2}x^2+2x\]
于是,自然的构造
\[ h(x)=f(x)-g(x)=f(x)-\left(\frac{3}{2}x^3-\frac{5}{2}x^2+2x\right) \]

\[ h'_{+}(0)=0\qquad h(0)=0\qquad h(1)=0\qquad h(2)=0 \]
由Rolle定理得到存在$x_{1}\in(0,1),\qquad x_{2}\in(1,2)$
\[ h'(x_1)=h'(x_2)=0 \]
于是$h'(x)$在$[0,x_{2}]$上有三个零点,自以为满足Rolle定理的条件,再次由Rolle定理得到
\[ h'''(\xi)=0\Rightarrow f'''(\xi)=9\qquad \xi\in(0,2) \]
         但是,上面的证明表面上看起来比较合理,事实上是错误的,原因就是$h'(x)$在$x=0$处不一定右连续的。Rolle定理要求在闭区间上连续,就是闭区间端点处分别左右连续,开区间内可导,而对于导函数而言,求导会使得函数的性质变差,因此,尽管在$x=0$处存在导数(右导数),但导函数在$x=0$处的极限(右极限)可能不存在,一个著名的例子就是$f(x)=x^{m}\sin\frac{1}{x}$,这个函数在$m$取不同值的时候在$x=0$处的导函数性质是不同的,比如取$m=2$,虽然在$x=0$处有导数,但导函数在那里不连续。说了这么多,就是说原证明是不能使用Rolle定理的,所以是错的。

    幸运的是,伟大的西西给了一个严格精巧漂亮的证明:

证明:考虑反证,假设结论不对,由达布定理(导函数介值定理)知在$(0,2)$中,只能有$f'''(x)>9$或者$f'''(x)<9$这二者之一。我们假设是前一种情况,后一种同理可得。构造
\[ h(x)=f(x)-\left(\frac{3}{2}x^3+2x\right)\]
于是,仍然有
\[ h(0)=0\qquad h'_{+}(0)=f'_{+}(0)-2=0\qquad h'''(x)>0\quad (x\in(0,2)) \]
因此$h''(x)$在$(0,2)$上是严格递增的,由$f(1)=1,f(2)=6$可以计算出$h(1)$和$h(2)$的关系
\[ h(2)=4h(1) \]
再次构造辅助函数
\[ g(x)=h(2x)-4h(x) \]
\[ g(0)=0\qquad g'_{+}(0)=0\qquad g(1)=0 \]

\[ g''(x)=4(h''(2x)-h(x))>0\]
由于上面说的$h''(x)$在$(0,2)$上是严格递增的。这表明$g'(x)$在$(0,1)$上是严格递增的。故$\displaystyle\lim_{x\to 0^{+}}g'(x)=A$存在(要么为有限值,要么为非正常极限)。由$ \displaystyle g'_{+}(0)=0$,说明$\displaystyle \lim_{x\to 0^{+}}g'(x)=0$,就是$g'(x)$在$x=0$右连续。因此,在$(0,1)$内,由$g'(x)$的严格递增,有$\displaystyle g'(x)>\lim_{x\to 0^{+}}g'(x)=0$.而$g(0)=g(1)=0$, 由Rolle定理知存在$\xi\in(0,1)$使得
\[ g'(\xi)=0 \]
这显然得出矛盾,所以命题得证。                                                           $\square$
我们看到,上面的辅助函数构造得真心犀利。通过计算给定函数值之间的关系构造出合适的辅助函数,这一思想值得我们深思领悟。另外,在使用定理的时候应该仔细验证是否满足定理的条件,不能乱套定理。