方企勤 第二章 一元函数微分学 第5题

教材习题

📝 题目

例 5 设 $f\left( x\right)$ 一阶可导,且 ${f}^{\prime \prime }\left( {x}_{0}\right)$ 存在. 求证:

$$ \mathop{\lim }\limits_{{h \rightarrow 0}}\frac{f\left( {{x}_{0} + {2h}}\right) - {2f}\left( {{x}_{0} + h}\right) + f\left( {x}_{0}\right) }{{h}^{2}} = {f}^{\prime \prime }\left( {x}_{0}\right) . $$

💡 答案解析

证法 1 用洛必达法则及 ${f}^{\prime \prime }\left( {x}_{0}\right)$ 的定义,得

$$ \mathop{\lim }\limits_{{h \rightarrow 0}}\frac{f\left( {{x}_{0} + {2h}}\right) - {2f}\left( {{x}_{0} + h}\right) + f\left( {x}_{0}\right) }{{h}^{2}} $$

$$ \underline{\text{ 洛必达法则 }}\mathop{\lim }\limits_{{h \rightarrow 0}}\frac{2{f}^{\prime }\left( {{x}_{0} + {2h}}\right) - 2{f}^{\prime }\left( {{x}_{0} + h}\right) }{2h} $$

$$ = \mathop{\lim }\limits_{{h \rightarrow 0}}\frac{2\left\lbrack {{f}^{\prime }\left( {{x}_{0} + {2h}}\right) - {f}^{\prime }\left( {x}_{0}\right) }\right\rbrack - 2\left\lbrack {{f}^{\prime }\left( {{x}_{0} + h}\right) - {f}^{\prime }\left( {x}_{0}\right) }\right\rbrack }{2h} $$

$$ = 2{f}^{\prime \prime }\left( {x}_{0}\right) - {f}^{\prime \prime }\left( {x}_{0}\right) = {f}^{\prime \prime }\left( {x}_{0}\right) . $$

证法 2 用带皮亚诺余项的泰勒公式, 得

$$ f\left( {{x}_{0} + {2h}}\right) - {2f}\left( {{x}_{0} + h}\right) + f\left( {x}_{0}\right) $$

$$ = \left\lbrack {f\left( {x}_{0}\right) + {f}^{\prime }\left( {x}_{0}\right) \cdot {2h} + \frac{{f}^{\prime \prime }\left( {x}_{0}\right) }{2!}{\left( 2h\right) }^{2} + o\left( {h}^{2}\right) }\right\rbrack $$

$$ - 2\left\lbrack {f\left( {x}_{0}\right) + {f}^{\prime }\left( {x}_{0}\right) \cdot h + \frac{{f}^{\prime \prime }\left( {x}_{0}\right) }{2!}{h}^{2} + o\left( {h}^{2}\right) }\right\rbrack + f\left( {x}_{0}\right) $$

$$ = {f}^{\prime \prime }\left( {x}_{0}\right) {h}^{2} + o\left( {h}^{2}\right) . $$

由此得 $\mathop{\lim }\limits_{{h \rightarrow 0}}\frac{f\left( {{x}_{0} + {2h}}\right) - {2f}\left( {{x}_{0} + h}\right) + f\left( {x}_{0}\right) }{{h}^{2}} = {f}^{\prime \prime }\left( {x}_{0}\right)$ .

📋 详细解题步骤

步骤 1/3
目标:证明极限等于二阶导数
使用洛必达法则,对分子分母同时求导。
公式:lim_{h→0} [f(x0+2h) - 2f(x0+h) + f(x0)] / h^2 = lim_{h→0} [2f'(x0+2h) - 2f'(x0+h)] / (2h)
提示:注意洛必达法则的使用条件:分子分母趋于0,且导数存在。
步骤 2/3
目标:化简极限表达式
将分子改写为2[f'(x0+2h)-f'(x0)] - 2[f'(x0+h)-f'(x0)],然后除以2h。
公式:lim_{h→0} [2(f'(x0+2h)-f'(x0)) - 2(f'(x0+h)-f'(x0))] / (2h)
提示:利用导数的定义:f'(x0+2h)-f'(x0) ≈ 2h f''(x0),f'(x0+h)-f'(x0) ≈ h f''(x0)。
步骤 3/3
目标:计算极限结果
分别计算两个差商的极限:lim_{h→0} [f'(x0+2h)-f'(x0)]/(2h) = f''(x0),lim_{h→0} [f'(x0+h)-f'(x0)]/h = f''(x0)。代入得2f''(x0) - f''(x0) = f''(x0)。
公式:原极限 = 2f''(x0) - f''(x0) = f''(x0)
提示:注意第二个极限分母是h,而第一个分母是2h,所以系数不同。

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