11.5.1 学习要点
Section titled “11.5.111.5.1 学习要点”-
在第一节中所说的“微元法”虽然不是一种严格的数学方法,但是在学习多元微积分以前,对于一些利用定积分进行计算的几何与物理问题,我们还经常要利用它.在教学上,对这种方法不作严格论证,只要使学生在一些具体计算问题中能够使用就行了.
-
本章分各个专题介绍积分学的应用,与上一章一起组成积分学的比较完整的内容.本章的取材是围绕积分学中的基本内容来选取的,其中考虑到了本科和考研两方面的需要.由于篇幅所限,没有能够收入积分学在力学和物理学等方面的应用,在数值积分方面也未作更多的介绍.在这些方面 [27, 59] 的第四章提供了一定的补充材料,可供读者选用.
-
对习题课的建议 本章除了积分学在几何上的应用之外,对于本科学习来说,至少需要学习利用定积分计算某些数列的极限 (11.4.1 小节) 和 Stirling 公式 (11.32). 这些内容对于前面的数列极限内容也是重要的补充和发展.至于其他内容,则机动余地较大,教师可以根据教材和学生情况来决定取舍.
11.5.2 参考题
Section titled “11.5.211.5.2 参考题”- 设 f ∈ C¹[0,1],且 f(0) = 0 , f(1) = 1,证明:
- 设 a > 0,证明:
- ( Tchebycheff (切比雪夫) 不等式) (1) 设 F ∈ C[a, b],处处大于 0, 且单调减少,证明:
(2) 设 f, g 在区间 [a, b] 上可积,且对于任何 x < y 具有性质 (f(x) - f(y))(g(x) - g(y)) ≥slant 0,又设 p ∈ R[a, b],且处处大于 0, 证明:
∫_ a ^ b p (x) f (x) d x ∫_ a ^ b p (x) g (x) d x ≤slant ∫_ a ^ b p (x) d x ∫_ a ^ b p (x) f (x) g (x) d x.- 设 f 在 [0,1] 上连续,且 0 ≤slant f(x) < 1,证明:
- 证明不等式:
- 设 f^((2n)) ∈ C[a, b] ,且 f^((k))(a) = f^((k))(b) = 0, k = 0, 1, 2, …, n - 1 ,证明:
- 设函数 f, g ∈ C[a, b],且 f(x) ≠ 0 , g(x) 处处大于 0. 记
证明: 数列 {fracdₙ+1dₙ} 收敛,并求出其极限.
-
计算 limₙ→∞[(sin(π/n))/(n+1)+(sin(2π/n))/(n+1/2)+…+(sinπ)/(n+1/n)] .
-
对任意实数 a,证明: limₙ → ∞ ∏ₖ=1ⁿ+1 cos ( (√(2k-1))/(n) a² ) = e⁻(a⁴)/(2) .
-
设 f 是 [1, +∞) 上的非负单调减少函数,令
证明: 数列 {aₙ} 收敛.
(这是“面积原理”的一种简单情况 (参见 [26]). 取 f(x) = 1/x ,就得到关于 Euler 常数的命题 2.5.6; 取 f(x) = (1)/(√(x)) ,就是第二章第一组参考题 14.)
-
计算积分 ∫₀¹sin x²dx, 使得误差不超过 0.001 .
-
证明: 函数 F(x) = ∫₀ˣ sin 1/t dt 在区间 (0,1] 上有无穷多个零点.
-
设 f 在 [a, b] 上可导,f' 单调增加且有 f'(x) ≥slant m > 0,证明:
- 设 f 在 [a, b] 上连续可微,且满足 f'(x) ≥slant m > 0 , |f(x)| ≤slant π,证明:
- 对 n ∈ N_+,定义
证明: limₙ→ ∞(Sₙ)/(√(n)) = (√(π))/(2).
- 曲线 K 的极坐标方程为 ρ = ρ(θ) , 0 ≤slant θ ≤slant π , ρ ∈ C[0, π],且已知 K 上任何两点之间的距离不超过 1, 证明: 由曲线 K 与射线 θ = 0 , θ = π 围成的扇形面积
(由此可见,直径不超过 1 的图形面积最多为 π / 4 .)
- 设 f ∈ C[a, b] ,且处处大于 0。记 fₖn = f(a + khₙ) , hₙ = (b - a)/n , k = 1, 2, …, n 。证明:
并用于证明 ( Poisson 积分):
frac 12 π ∫_ 0 ^ 2 π ln (1 - 2 r cos x + r ^ 2) d x = 2 ln r,其中 r > 1
- 设 f ∈ C[0,1] , ∫₀¹ x² f(x) dx = 1 .
(1) 证明: max₀ ≤slant x ≤slant 1 {|f(x)|} ≥slant 3 ;
(2) 又知 ∫₀¹ x f(x) dx = 0,证明: max₀ ≤slant x ≤slant 1 {|f(x)|} > 10.2 .
- 设 f ∈ C[0,1],如果对某个正整数 n > 1,成立
求证: M = max₀ ≤slant x ≤slant 1 {|f(x)|} ≥slant 2ⁿ (n + 1) .
- 求出使不等式
成立的最佳常数 c₁, c₂,对其中的积分限分两种情况讨论: (1) 0 ≤slant a < b ; (2) a < b .
- 在命题 11.2.3 (即 Young 不等式) 中的可微条件可以去掉,此外还可以得到另一个方向的不等式.设 f ∈ C[0, +∞),严格单调增加,且 f(0) = 0,记其反函数为 g(y).对 a, b > 0,证明下列不等式并解释其几何意义:
其中成立等号的充分必要条件是 b = f(a) (即 a = g(b) )
- 设 f ∈ C(a, b),证明:
(1) 若对任何 a < x₁ < x₂ < b 成立不等式
f (frac x _ 1 + x _ 22) ≤slant frac 1x _ 2 - x _ 1 ∫_ x _ 1 ^ x _ 2 f (x) d x,则 f 为下凸函数;
(2) 若对任何 a < x₁ < x₂ < b 成立不等式
frac 1x _ 2 - x _ 1 ∫_ x _ 1 ^ x _ 2 f (x) d x ≤slant frac f (x _ 1) + f (x _ 2)2,则 f 为下凸函数;
(3) 若以上两个不等式中的任何一个始终成立等号,则 f 只能是线性函数.
(因此 Hadamard 不等式 (11.7) 中的每个不等式都是 f 下凸的充分必要条件.)
- 设 f ∈ C¹[0, a] , f(0) = 0 .
(1) 证明:
∫_ 0 ^ a | f (x) f ^ prime (x) | d x ≤slant frac a2 ∫_ 0 ^ a | f ^ prime (x) | ^ 2 d x,且其中成立等号当且仅当 f(x) = cx ;
(2) ( Opial 不等式) 增加条件 f(a) = 0 , f 在 (0, a) 上大于 0, 证明:
∫_ 0 ^ a | f (x) f ^ prime (x) | d x ≤slant frac a4 ∫_ 0 ^ a | f ^ prime (x) | ^ 2 d x.- ( Bellman-Gronwall 不等式) 设当 x ≥slant 0 时 f(x), g(x) 为非负连续函数,且有
其中 A > 0 ,证明:当 x≥slant 0 时
f (x) ≤slant A exp (∫_ 0 ^ x g (t) d t).- 设 f ∈ C²[0,1] , f(0) = f(1) = 0 , f 在 (0,1) 中无零点,证明:
且其中 4 是最佳下界.
- 设 f 在 [0,1] 上可积,且有 0 < m ≤slant f(x) ≤slant M,则有
(这是 Cauchy-Schwarz 不等式的反向不等式,也称为 Kantorovich (康托罗维奇) 不等式.)
- 设非常值函数 f 在区间 [a, b] 上可微,且 f(a) = f(b) = 0,证明: 在 [a, b] 内至少存在一点 ξ,使
- 设 f ∈ C²[0,1] , f(0) = f(1) = f'(0) = 0 , f'(1) = 1,证明:
且其中成立等式当且仅当 f(x) = x³ - x²
- 设函数 f 在区间 [a, b] 上处处大于 0,且对于 L > 0 满足 Lipschitz 条件 |f(x₁) - f(x₂)| ≤slant L|x₁ - x₂| ,又已知对于 a ≤slant c ≤slant d ≤slant b 有
证明下列积分不等式:
∫_ a ^ b f (x) d x ≤slant frac e ^ 2 L β - 12 L α ∫_ c ^ d f (x) d x.- 先用微分学或其他方法证明: 当 0 < x < 1 时,成立不等式
并用 x = 1 / (2n + 1) 代入,得到比 (11.34) 更强的不等式.然后证明比 (11.32) 更为精细的 Stirling 公式,也就是一般性公式 (11.31) 中 m = 0 的情况:
ln n! = ln sqrt 2 π + (n + frac 12) ln n - n + frac θ_ n1 2 n,或者其等价形式:
n! = sqrt 2 π n (frac ne) ^ n e ^ frac θ_ n1 2 n,其中 0 < θₙ < 1 .
第十二章 广义积分
Section titled “第十二章 广义积分”广义积分 (也称反常积分) 作为变限积分函数的极限,其许多性质与定积分类似.本章共分 5 节. §12.1 讨论广义积分的定义. §12.2 与 §12.3 分别讨论广义积分的敛散性判别与计算. §12.4 讨论无穷限广义积分的一些特殊性质.最后一节为学习要点和两组参考题.
广义积分与无穷级数之间有密切联系.在各种数学分析教材中两者的教学顺序并不相同.虽然本书在第二章中已经提到了无穷级数的概念 (见 2.2.3 小节末的注解以及例题 2.2.6, 2.2.9,命题 2.5.2 等), 但是要到下册中才有关于无穷级数的全面论述.因此这方面的联系也要到后面介绍 (例如下册命题 13.2.1 等).