方企勤 第二章 一元函数微分学 第22题

教材习题

📝 题目

例 22 设 ${f}_{n}\left( x\right) = {x}^{n} + {x}^{n - 1} + \cdots + {x}^{2} + x$ . 求证:

(1)对任意自然数 $n > 1$ ,方程 ${f}_{n}\left( x\right) = 1$ 在 $\left( {\frac{1}{2},1}\right)$ 内只有一个根;

(2)设 ${x}_{n} \in \left( {\frac{1}{2},1}\right)$ 是 ${f}_{n}\left( x\right) = 1$ 的根,则 $\displaystyle{\mathop{\lim }\limits_{{n \rightarrow \infty }}{x}_{n} = \frac{1}{2}}$ .

💡 答案解析

证 (1) 因为 ${f}_{n}\left( 1\right) - 1 = n - 1 > 0$ ,以及

$$ {f}_{n}\left( \frac{1}{2}\right) - 1 = \frac{1}{2} + {\left( \frac{1}{2}\right) }^{2} + \cdots + {\left( \frac{1}{2}\right) }^{n} - 1 $$

$$ = \frac{\frac{1}{2} - {\left( \frac{1}{2}\right) }^{n + 1}}{1 - \frac{1}{2}} - 1 = - {\left( \frac{1}{2}\right) }^{n} < 0, \tag{6.25} $$

所以根据连续函数的中间值定理,存在 ${x}_{n} \in \left( {\frac{1}{2},1}\right)$ ,使得 ${f}_{n}\left( {x}_{n}\right) - 1$ $= 0$ . 又因为

$$ {f}_{n}^{\prime }\left( x\right) = 1 + {2x} + \cdots + n{x}^{n - 1} \geq 1 > 0\;\left( {\forall x \geq 0}\right) , $$

(6.26)

所以 ${f}_{n}\left( x\right)$ 严格单调增加,从而 ${f}_{n}\left( x\right) = 1$ 的根 ${x}_{n} \in \left( {\frac{1}{2},1}\right)$ 是惟一的.

(2)证法 1 根据微分中值定理, $\exists \xi \in \left( {\frac{1}{2},{x}_{n}}\right)$ ,使得

$$ {f}_{n}\left( {x}_{n}\right) - {f}_{n}\left( \frac{1}{2}\right) = {f}_{n}^{\prime }\left( \xi \right) \left( {{x}_{n} - \frac{1}{2}}\right) , $$

联合 (6.26) 及 (6.25) 式,我们有

$$ 0 \leq \left| {{x}_{n} - \frac{1}{2}}\right| \leq \left| {{f}_{n}\left( {x}_{n}\right) - {f}_{n}\left( \frac{1}{2}\right) }\right| = \left| {1 - \left\lbrack {1 - {\left( \frac{1}{2}\right) }^{n}}\right\rbrack }\right| = \frac{1}{{2}^{n}}. $$

于是根据极限的两边夹挤准则,即得 $\displaystyle{\mathop{\lim }\limits_{{n \rightarrow \infty }}{x}_{n} = \frac{1}{2}}$ .

证法 2 从考虑 ${x}_{n}$ 的单调性入手. 因为对 $\forall x > 0$ ,有 ${f}_{n}\left( x\right) <$ ${f}_{n + 1}\left( x\right)$ ,所以

$$ {f}_{n + 1}\left( {x}_{n + 1}\right) = 1 = {f}_{n}\left( {x}_{n}\right) < {f}_{n + 1}\left( {x}_{n}\right) . \tag{6.27} $$

又 ${f}_{n + 1}\left( x\right)$ 是严格单调增加的,从而由 (6.27) 式知 ${x}_{n + 1} < {x}_{n}$ ,也就是序列 ${x}_{n}$ 是单调下降的. 又 ${x}_{n} > \frac{1}{2}$ ,也就是序列 ${x}_{n}$ 是有下界的. 于是极限 $\displaystyle{\mathop{\lim }\limits_{{n \rightarrow \infty }}{x}_{n}}$ 是存在的,可设 $\displaystyle{\mathop{\lim }\limits_{{n \rightarrow \infty }}{x}_{n} = a}$ . 注意到

$$ {x}_{n} \leq {x}_{2} < 1\left( {\forall n > 1}\right) \Rightarrow \mathop{\lim }\limits_{{n \rightarrow \infty }}{x}_{n}^{n + 1} = 0, $$

对等式

$$ 1 = {f}_{n}\left( {x}_{n}\right) = {x}_{n}^{n} + {x}_{n}^{n - 1} + \cdots + {x}_{n}^{2} + {x}_{n} = \frac{{x}_{n} - {x}_{n}^{n + 1}}{1 - {x}_{n}}, $$

两端令 $\displaystyle{n \rightarrow \infty}$ 取极限,得 $1 = \frac{a}{1 - a}$ ,即得 $a = \frac{1}{2}$ .

证法 3 注意到

$$ 1 = {f}_{n}\left( {x}_{n}\right) = {x}_{n}^{n} + {x}_{n}^{n - 1} + \cdots + {x}_{n}^{2} + {x}_{n} $$

$$ = \frac{{x}_{n} - {x}_{n}^{n + 1}}{1 - {x}_{n}} \Rightarrow {x}_{n} = \frac{1}{2} + \frac{{x}_{n}^{n + 1}}{2}, \tag{6.28} $$

以及 ${f}_{n}\left( x\right)$ 的严格单调增加性,

$$ \left. \begin{aligned} {f}_{n}\left( \frac{2}{3}\right) & = \frac{2}{3} + {\left( \frac{2}{3}\right) }^{2} + \cdots + {\left( \frac{2}{3}\right) }^{n} \\ & = \frac{\frac{2}{3} - {\left( \frac{2}{3}\right) }^{n + 1}}{1 - \frac{2}{3}} = 2 - {\left( \frac{2}{3}\right) }^{n} > 1 \\ {f}_{n}\left( {x}_{n}\right) & = 1 \end{aligned}\right\} \Rightarrow {x}_{n} < \frac{2}{3}. $$

(6.29)

联立 (6.28) 与 (6.29) 式, 解得

$$ \frac{1}{2} < {x}_{n} < \frac{1}{2} + {\left\lbrack \frac{2}{3}\right\rbrack }^{n + 1}\text{ 由夹挤准则 }\mathop{\lim }\limits_{{n \rightarrow \infty }}{x}_{n} = \frac{1}{2}. $$

📋 详细解题步骤

步骤 1/5
目标:证明方程在(1/2,1)内至少有一个根
计算f_n(1)-1=n-1>0,f_n(1/2)-1= - (1/2)^n <0,由连续函数中间值定理,存在x_n∈(1/2,1)使得f_n(x_n)=1。
公式:f_n(1/2)-1 = - (1/2)^n
提示:注意等比数列求和公式
步骤 2/5
目标:证明根的唯一性
求导得f_n'(x)=1+2x+...+n x^{n-1}≥1>0,故f_n(x)严格单调递增,因此根唯一。
公式:f_n'(x) = 1+2x+...+n x^{n-1}
提示:导数恒正说明函数严格单调
步骤 3/5
目标:证明极限为1/2(证法1)
由微分中值定理,存在ξ∈(1/2,x_n)使得f_n(x_n)-f_n(1/2)=f_n'(ξ)(x_n-1/2)。由于f_n'(ξ)≥1,且f_n(x_n)=1,f_n(1/2)=1-(1/2)^n,得|x_n-1/2|≤(1/2)^n,由夹逼准则得极限为1/2。
公式:|x_n - 1/2| ≤ 1/2^n
提示:利用导数下界放缩
步骤 4/5
目标:证明极限为1/2(证法2)
先证{x_n}单调递减有下界:由f_{n+1}(x)>f_n(x)得f_{n+1}(x_{n+1})=1=f_n(x_n)1/2,故极限存在。设极限为a,由f_n(x_n)= (x_n - x_n^{n+1})/(1-x_n)=1,令n→∞得a/(1-a)=1,解得a=1/2。
公式:f_n(x) = (x - x^{n+1})/(1-x)
提示:注意x_n^{n+1}→0
步骤 5/5
目标:证明极限为1/2(证法3)
由f_n(x_n)=1得x_n = 1/2 + x_n^{n+1}/2。又由f_n(2/3)>1及单调性得x_n<2/3,故x_n^{n+1}<(2/3)^{n+1},从而1/2 < x_n < 1/2 + (2/3)^{n+1},由夹逼准则得极限为1/2。
公式:x_n = 1/2 + x_n^{n+1}/2
提示:利用上界放缩x_n^{n+1}

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