上册 3.4 与导数有关的极限 第11题
📝 题目
11.证明下列结论.
(1)证 明 :当 $x \geqslant 0$ 时,存在 $\theta(x) \in(0,1)$ 使 得 $\displaystyle \sqrt{x+1}-\sqrt{x}=\frac{1}{2 \sqrt{x+\theta(x)}}$ .并 证 $\displaystyle \lim _{x \rightarrow 0^{+}} \theta(x)=\frac{1}{4}, \lim _{x \rightarrow+\infty} \theta(x)=\frac{1}{2}$ .
(2)设 $f(x)$ 在 $a$ 附近有二阶连续导数,$f^{\prime \prime}(a) \neq 0, f(a+h)=f(a)+f^{\prime}(a+\theta h) h$ ,试证: $\displaystyle \lim _{h \rightarrow 0} \theta=\frac{1}{2}$ 。
(3)设 $\displaystyle f(x+h)=f(x)+f^{\prime}(x) h+\cdots+\frac{h^{n}}{n!} f^{(n)}(x+\theta h), 0<\theta<1$ ,且 $f^{(n+1)}(x) \neq 0$ 。证 明: $\displaystyle \lim _{h \rightarrow 0} \theta=\frac{1}{n+1}$ .(武汉理工 2002( $n=3$ ))
(4)设 $h>0$ ,函数 $f$ 在 $U(a ; h)$ 内具有 $n+1$ 阶连续导数,且 $f^{\prime}(a)=f^{\prime \prime}(a)=\cdots=f^{(n)}(a)=0$ , $f^{(n)}(a) \neq 0$ .由中值定理,$f(a+h)-f(a)=f^{\prime}(a+\theta h) h, \theta \in(0,1)$ .证明 $\displaystyle \lim _{h \rightarrow 0} \theta=\frac{1}{\sqrt[n]{n+1}}$ .
(5)设 $x \geqslant 0$ 时,证明:存在唯一 $\theta(x) \in(0,1)$ 使得 $\int_{0}^{1} \mathrm{e}^{t^{2}} \mathrm{~d} t=x \mathrm{e}^{\theta(x) x^{2}}$ ,且 $\lim _{x \rightarrow+\infty} \theta(x)=1$ .
(6)设 $x \geqslant 0$ 时,证明:存在唯一 $\theta(x) \in(0,1)$ 使得 $\int_{0}^{1} \mathrm{e}^{t} \mathrm{~d} t=x \mathrm{e}^{\theta(x) x}$ ,且 $\lim _{x \rightarrow+\infty} \theta(x)=1$ .
(7)设 $f(x)$ 在 $[0,1]$ 上非负、严格递增的连续函数,$F_{n}(x)=f^{n}(x)$ ,由中值定理,$\exists \theta_{n} \in(0,1)$ 使得 $F_{n}\left(\theta_{n}\right)=\int_{0}^{1} F_{n}(x) \mathrm{d} x$ 。证明 $\lim _{n \rightarrow+\infty} \theta_{n}=1$ 。
💡 答案解析
\section*{解题过程:}
(1)由拉格朗日中值定理,$\displaystyle \sqrt{x+1}-\sqrt{x}=\frac{1}{2 \sqrt{x+\theta(x)}}$ .即
$$
\theta(x)=\frac{1}{4}+\frac{\sqrt{x^{2}+x}-x}{2}=\frac{1}{4}+\frac{x}{2\left(\sqrt{x^{2}+x}+x\right)}
$$
所以 $\displaystyle \frac{1}{4} \leqslant \theta(x) \leqslant \frac{1}{2}$ .
$$
\lim _{x \rightarrow 0^{+}} \theta(x)=\lim _{x \rightarrow 0^{+}}\left[\frac{1}{4}+\frac{x}{2\left(\sqrt{x^{2}+x}+x\right)}\right]=\frac{1}{4} ; \lim _{x \rightarrow+\infty} \theta(x)=\lim _{x \rightarrow+\infty}\left[\frac{1}{4}+\frac{x}{2\left(\sqrt{x^{2}+x}+x\right)}\right]=\frac{1}{4}+\frac{1}{4}=\frac{1}{2} .
$$
(2)由泰勒公式知
$$
f(a+h)=f(a)+f^{\prime}(a) h+\frac{f^{\prime \prime}(a)}{2!} h^{2}+o\left(h^{2}\right)
$$
与已知等式比较整理得
$$
f^{\prime}(a+\theta h)-f^{\prime}(a)=\frac{f^{\prime \prime}(a)}{2} h+o(h) .
$$
由拉格朗日定理得
$$
f^{\prime \prime}\left(a+\theta_{1} \theta h\right) \theta h=\frac{f^{\prime \prime}(a)}{2} h+o(h) \text {, 即 } \theta=\frac{1}{2} \cdot \frac{f^{\prime \prime}(a)}{f^{\prime \prime}\left(a+\theta_{1} \theta h\right)}+\frac{o(h)}{f^{\prime \prime}\left(a+\theta_{1} \theta h\right)} \text {. }
$$
所以 $\displaystyle \lim _{h \rightarrow 0} \theta=\frac{1}{2}$ .
(3)由题设
$$
f(x+h)=f(x)+f^{\prime}(x) h+\cdots+\frac{h^{n}}{n!} f^{(n)}(x+\theta h), 0<\theta<1
$$
由 Taylor 公式得 $\displaystyle f(x+h)=f(x)+f^{\prime}(x) h+\cdots+\frac{h^{n}}{n!} f^{(n)}(x)+\frac{h^{n+1}}{(n+1)!} f^{(n+1)}(x)+o\left(h^{n+1}\right)$ .
比较得
$$
f^{(n)}(x+\theta h)-f^{(n)}(x)=\frac{h}{n+1} f^{(n+1)}(x)+o(h),
$$
即
$$
\theta \cdot \frac{f^{(n)}(x+\theta h)-f^{(n)}(x)}{\theta h}=\frac{f^{(n+1)}(x)}{n+1}+\frac{o(h)}{h} .
$$
令 $h \rightarrow 0$ 得 $\displaystyle \theta f^{(n+1)}(x)=\frac{f^{(n+1)}(x)}{n+1}$ .故 $\displaystyle \lim _{h \rightarrow 0} \theta=\frac{1}{n+1}$ .
(4)由 Taylor 公式
$$
f(a+h)=f(a)+f^{\prime}(a) h+\cdots+\frac{f^{(n)}(a)}{n!} h^{n}+o\left(h^{n}\right)=f(a)+f^{\prime}(a) h+\frac{f^{(n)}(a)}{n!} h^{n}+o\left(h^{n}\right)
$$
与已知等式比较整理得
$$
f^{\prime}(a+\theta h)=f^{\prime}(a)+\frac{f^{(n)}(a)}{n!} h^{n-1}+o\left(h^{n-1}\right)
$$
两边对 $h$ 求 $n-1$ 阶导数得
$$
f^{(n)}(a+\theta h) \theta^{n-1}=\frac{f^{(n)}(a)}{n}+o(h) .
$$
所以 $\displaystyle \theta^{n-1}=\frac{1}{n} \cdot \frac{f^{(n)}(a)}{f^{(n)}(a+\theta h)}+\frac{o(h)}{f^{(n)}(a+\theta h)}$ .故 $\displaystyle \lim _{h \rightarrow 0} \theta^{n-1}=\frac{1}{n}$ ,即 $\displaystyle \lim _{h \rightarrow 0} \theta=n^{-\frac{1}{n-1}}$ .
(5)由中值定理,存在 $\xi \in(0, x)$ 使得 $\int_{0}^{x} \mathrm{e}^{t^{2}} \mathrm{~d} t=\mathrm{e}^{\xi^{2}} x$ .对 $\xi^{2} \in\left(0, x^{2}\right)$ ,存在 $\theta \in(0,1)$ 使得 $\xi^{2}=\theta x^{2}$ .
故
$$
\int_{0}^{x} \mathrm{e}^{t^{2}} \mathrm{~d} t=\mathrm{e}^{\theta x^{2}} x
$$
若存在 $\theta_{1}, \theta_{2} \in(0,1)$ ,使 $\int_{0}^{x} \mathrm{e}^{t^{2}} \mathrm{~d} t=x \mathrm{e}^{\theta_{1} x^{2}}, \int_{0}^{x} \mathrm{e}^{t^{2}} \mathrm{~d} t=x \mathrm{e}^{\theta_{2} x^{2}}$ ,则 $\theta_{1}=\theta_{2}$ 。于是存在唯一 $\theta \in(0,1)$ 使得
$$
\int_{0}^{x} \mathrm{e}^{t^{2}} \mathrm{~d} t=x \mathrm{e}^{\theta x^{2}} \text {, 且 } \theta(x)=\frac{1}{x^{2}} \ln \frac{\int_{0}^{x} \mathrm{e}^{t^{2}} \mathrm{~d} t}{x}=\frac{\ln \int_{0}^{x} \mathrm{e}^{t^{2}} \mathrm{~d} t-\ln x}{x^{2}}=\frac{\ln \int_{0}^{x} \mathrm{e}^{t^{2}} \mathrm{~d} t}{x^{2}}-\frac{\ln x}{x^{2}} \text {. }
$$
因
$$
\lim _{x \rightarrow+\infty} \frac{\ln \int_{0}^{x} \mathrm{e}^{t^{2}} \mathrm{~d} t}{x^{2}}=\lim _{x \rightarrow+\infty} \frac{\mathrm{e}^{x^{2}}}{2 x \int_{0}^{x} \mathrm{e}^{t^{2}} \mathrm{~d} t}=\frac{1}{2} \lim _{x \rightarrow+\infty} \frac{\frac{1}{x} \mathrm{e}^{x^{2}}}{\int_{0}^{x} \mathrm{e}^{t^{2}} \mathrm{~d} t}=\frac{1}{2} \lim _{x \rightarrow+\infty} \frac{-\frac{1}{x^{2}} \mathrm{e}^{x^{2}}+2 \mathrm{e}^{x^{2}}}{\mathrm{e}^{x^{2}}}=1, \lim _{x \rightarrow \infty} \frac{\ln x}{x^{2}}=0,
$$
故 $\lim _{x \rightarrow+\infty} \theta(x)=1$ .
(6)证明与(5)类似.
(7)由已知得 $f\left(\theta_{n}\right)=\sqrt[n]{\left(\int_{0}^{1} f^{n}(x) \mathrm{d} x\right)}, \lim _{n \rightarrow \infty} f\left(\theta_{n}\right)=\lim _{n \rightarrow x} \sqrt[n]{\left(\int_{0}^{1} f^{n}(x) \mathrm{d} x\right)}=\max _{[0,1]} f(x)=f(1)$ 。所以 $\lim _{n \rightarrow+\infty} \theta_{n}=1$.
📋 详细解题步骤
暂无解题步骤
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