方企勤 第一章 分析基础 第1题

教材习题

📝 题目

例 1 设函数 $f\left( x\right) ,g\left( x\right)$ 在(a, b)上严格单调增加,求证: 函数

$$ \varphi \left( x\right) \overset{\text{ 定义 }}{ = }\max \{ f\left( x\right) ,g\left( x\right) \} ,\;\psi \left( x\right) \overset{\text{ 定义 }}{ = }\min \{ f\left( x\right) ,g\left( x\right) \} $$

也在(a, b)上严格单调增加.

💡 答案解析

证 $\forall {x}_{1},{x}_{2} \in \left( {a,b}\right)$ 且设 ${x}_{2} > {x}_{1}$ ,因为 $f\left( x\right) ,g\left( x\right)$ 在(a, b)上严格单调增加,所以 $f\left( {x}_{2}\right) > f\left( {x}_{1}\right) ,g\left( {x}_{2}\right) > g\left( {x}_{1}\right)$ . 于是

$$ \left. \begin{array}{l} \varphi \left( {x}_{2}\right) = \max \left\{ {f\left( {x}_{2}\right) ,g\left( {x}_{2}\right) }\right\} > f\left( {x}_{2}\right) > f\left( {x}_{1}\right) \\ \varphi \left( {x}_{2}\right) = \max \left\{ {f\left( {x}_{2}\right) ,g\left( {x}_{2}\right) }\right\} > g\left( {x}_{2}\right) > g\left( {x}_{1}\right) \end{array}\right\} \Rightarrow \varphi \left( {x}_{2}\right) > \varphi \left( {x}_{1}\right) . $$

同理可证 $\psi \left( x\right)$ 在(a, b)上严格单调增加.

📋 详细解题步骤

步骤 1/3
目标:设定任意两点并利用单调性
任取 x1, x2 ∈ (a, b) 且 x2 > x1,由 f, g 严格单调增得 f(x2) > f(x1), g(x2) > g(x1)。
提示:注意严格单调增加的定义:若 x2 > x1,则 f(x2) > f(x1)。
步骤 2/3
目标:证明 φ(x) 严格单调增
由于 φ(x2) = max{f(x2), g(x2)},而 f(x2) > f(x1) 且 g(x2) > g(x1),故 φ(x2) > f(x1) 且 φ(x2) > g(x1),因此 φ(x2) > max{f(x1), g(x1)} = φ(x1)。
公式:φ(x2) = max{f(x2), g(x2)} > max{f(x1), g(x1)} = φ(x1)
提示:注意 max 函数的性质:最大值大于等于每一个分量,且大于另一个点的每个分量。
步骤 3/3
目标:证明 ψ(x) 严格单调增
同理,ψ(x2) = min{f(x2), g(x2)},由于 f(x2) > f(x1) 且 g(x2) > g(x1),故 ψ(x2) ≥ min{f(x1), g(x1)}?实际上需要更细致的分析:因为 f(x2) > f(x1) 且 g(x2) > g(x1),所以 min{f(x2), g(x2)} > min{f(x1), g(x1)}?不一定,例如 f(x1)=1, g(x1)=2, f(x2)=2, g(x2)=3,则 min(f(x2),g(x2))=2,min(f(x1),g(x1))=1,成立。但若 f(x1)=2, g(x1)=1, f(x2)=3, g(x2)=2,则 min=2>1。一般地,由于两个函数值都增大,最小值也增大。严格证明:设 m1 = min{f(x1), g(x1)},则 m1 ≤ f(x1) < f(x2) 且 m1 ≤ g(x1) < g(x2),故 m1 < f(x2) 且 m1 < g(x2),因此 m1 < min{f(x2), g(x2)} = ψ(x2)。
公式:ψ(x2) = min{f(x2), g(x2)} > min{f(x1), g(x1)} = ψ(x1)
提示:注意 min 函数的性质:最小值小于等于每一个分量,但两个分量都增大时,最小值也增大。

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